Suletud ahelaga elu tagamise süsteemid: elu alalhoidmine ekstreemsetes keskkondades ja kaugemalgi

Suletud ahelaga elu tagamise süsteemid (ingl k CLSS – Closed-Loop Life Support Systems) kujutavad endast paradigma muutust selles, kuidas me läheneme inimelu alalhoidmisele isoleeritud ja piiratud ressurssidega keskkondades. Algselt pikaajaliste kosmosemissioonide jaoks loodud tehnoloogiate potentsiaali nähakse üha enam ka Maa pakiliste jätkusuutlikkuse probleemide lahendamisel. See artikkel annab põhjaliku ülevaate CLSS-idest, uurides nende põhimõtteid, komponente, rakendusi ja tulevikku kujundavaid tipptasemel uuringuid.

Mis on suletud ahelaga elu tagamise süsteem?

CLSS on iseseisev ökoloogiline süsteem, mis on loodud ressursside – õhu, vee ja jäätmete – ringlussevõtuks, et minimeerida väliste sisendite vajadust. Sisuliselt jäljendab see Maa looduslikke biogeokeemilisi tsükleid suletud või osaliselt suletud keskkonnas. Eesmärk on luua jätkusuutlik elupaik, mis suudab pakkuda kõiki inimeste ellujäämiseks ja heaoluks vajalikke ressursse.

Erinevalt avatud ahelaga süsteemidest, mis sõltuvad suuresti varude täiendamisest, on CLSS-ide eesmärk peaaegu täielik ressursside regenereerimine. See muudab need hädavajalikuks:

• Pikaajalised kosmosemissioonid: Logistilise koormuse ja kulude vähendamine varude transportimisel kaugetesse sihtkohtadesse nagu Marss.
• Planeetide eelpostid ja asulad: Iseseisvate elupaikade loomine teistel planeetidel.
• Ekstreemsed keskkonnad Maal: Teadusjaamade toetamine Antarktikas, veealustes elupaikades ja maa-alustes punkrites.
• Jätkusuutlik põllumajandus ja ressursihaldus: Suletud ahelaga süsteemide arendamine toidu tootmiseks, veepuhastuseks ja jäätmete ringlussevõtuks linnakeskkondades ja kaugemates kogukondades.

Suletud ahelaga elu tagamise süsteemi põhikomponendid

A CLSS koosneb tavaliselt mitmest omavahel seotud komponendist, millest igaüks vastutab kindla funktsiooni eest:

1. Õhu taaselustamine

See komponent keskendub hingamiskõlbliku atmosfääri säilitamisele, eemaldades süsinikdioksiidi (CO2) ja täiendades hapnikku (O2). Traditsioonilised meetodid, nagu keemilised puhastid, nõuavad kemikaalide täiendamist. Täiustatud CLSS-id kasutavad:

• Füüsikalis-keemilised meetodid: Keemiliste reaktsioonide, adsorptsiooni või membraantehnoloogiate kasutamine CO2 eemaldamiseks ja O2 genereerimiseks. Näideteks on Sabatier' reaktor (mis muundab CO2 ja vesiniku metaaniks ja veeks) ja tahkeoksiidsed elektrolüüsielemendid (SOEC), mis lõhustavad vee vesinikuks ja hapnikuks.
• Bioregeneratiivsed meetodid: Taimede või vetikate kasutamine CO2 absorbeerimiseks fotosünteesi kaudu ja O2 vabastamiseks. See pakub ka toiduallikat ja aitab puhastada vett.

Näide: Euroopa Kosmoseagentuuri (ESA) projekt MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative) integreerib õhu taaselustamiseks nii füüsikalis-keemilisi kui ka bioregeneratiivseid meetodeid.

2. Veepuhastus ja ringlussevõtt

Vesi on väärtuslik ressurss, eriti suletud keskkondades. CLSS kasutab keerukaid veepuhastus- ja ringlussevõtusüsteeme vee taaskasutamiseks erinevatest allikatest, sealhulgas:

• Uriin ja reovesi: Membraanfiltratsiooni, destilleerimise ja bioloogilise töötluse kasutamine saasteainete ja patogeenide eemaldamiseks.
• Õhuniiskuse kondensaat: Veeauru kogumine õhust.
• Taimede transpiratsioon: Taimede poolt transpireeritud vee taaskasutamine.

Puhastatud vett kasutatakse seejärel uuesti joomiseks, hügieeniks ja taimede kastmiseks.

Näide: Rahvusvaheline kosmosejaam (ISS) kasutab vee taaskasutussüsteemi (WRS), mis suudab pardal olevast veest ringlusse võtta kuni 93%.

3. Toiduainete tootmine

Jätkusuutliku toiduvaru tagamine on pikaajaliseks elamiseks ülioluline. CLSS integreerib kontrollitud keskkonnaga põllumajanduse (CEA) süsteeme, et kasvatada põllukultuure siseruumides, kasutades kunstvalgustust, hüdropoonikat või aeropoonikat. Peamised kaalutlused on järgmised:

• Toitainete ringlus: Toitainete taaskasutamine jäätmematerjalidest ja nende tagasisuunamine toiduainete tootmise süsteemi.
• Põllukultuuride valik: Toitainerikaste, kergesti kasvatatavate ja CO2 biomassiks muundamisel tõhusate põllukultuuride valimine. Näideteks on nisu, riis, sojaoad, kartulid, salat ja spirulina.
• Ressursside optimeerimine: Vee- ja energiatarbimise minimeerimine.

Näide: Arizona ülikooli kontrollitud keskkonnaga põllumajanduse keskuse uuringud keskenduvad tõhusate ja jätkusuutlike toiduainete tootmise süsteemide arendamisele kosmoseuuringuteks ja linnapõllumajanduseks.

4. Jäätmekäitlus

Tõhus jäätmekäitlus on tervisliku ja sanitaarse keskkonna säilitamiseks hädavajalik. CLSS kasutab jäätmematerjalide töötlemiseks ja ringlussevõtuks mitmesuguseid tehnoloogiaid, sealhulgas:

• Kompostimine: Mikroorganismide kasutamine orgaaniliste jäätmete lagundamiseks toitainerikkaks väetiseks.
• Anaeroobne kääritamine: Orgaaniliste jäätmete lagundamine hapnikuvabas keskkonnas biogaasi (metaan ja CO2) tootmiseks.
• Pürolüüs: Jäätmematerjalide kuumutamine hapnikuvabas keskkonnas bioõli, biosöe ja sünteesigaasi tootmiseks.
• Põletamine: Jäätmete põletamine kõrgel temperatuuril nende mahu vähendamiseks ja energia tootmiseks (koos asjakohaste heitkoguste kontrollsüsteemidega).

Töödeldud jäätmeid saab seejärel kasutada väetisena taimede kasvuks või energiaallikana.

Näide: NASA Amesi uurimiskeskus arendab täiustatud jäätmekäitlussüsteeme tulevaste Kuu ja Marsi elupaikade jaoks.

5. Keskkonnakontroll ja seire

Stabiilse ja mugava keskkonna säilitamine on inimeste tervise ja tootlikkuse seisukohalt ülioluline. CLSS sisaldab keerukaid keskkonnakontrollisüsteeme temperatuuri, niiskuse, õhurõhu ja valgustuse reguleerimiseks. Need sisaldavad ka andureid ja seiresüsteeme põhiparameetrite jälgimiseks ja anomaaliate avastamiseks.

Suletud ahelaga elu tagamise süsteemide tüübid

CLSS-id võib laias laastus jagada kahte kategooriasse:

1. Füüsikalis-keemilised elu tagamise süsteemid (PCLSS)

Need süsteemid tuginevad ressursside regenereerimisel peamiselt keemilistele ja füüsikalistele protsessidele. Need on tavaliselt kompaktsemad ja usaldusväärsemad kui bioregeneratiivsed süsteemid, kuid nõuavad rohkem energiat ja võivad tekitada mürgiseid kõrvalsaadusi.

Eelised:

• Kõrge tõhusus ja usaldusväärsus
• Kompaktne suurus
• Hästi väljakujunenud tehnoloogia

Puudused:

• Kõrge energiatarbimine
• Mürgiste kõrvalsaaduste tekkimise potentsiaal
• Piiratud võime kohaneda muutuvate tingimustega

2. Bioregeneratiivsed elu tagamise süsteemid (BLSS)

Need süsteemid kasutavad ressursside ringlussevõtuks bioloogilisi organisme, nagu taimed, vetikad ja mikroorganismid. Need pakuvad suuremat jätkusuutlikkust ja vastupidavust, kuid on keerukamad ja nõuavad hoolikat haldamist.

Eelised:

• Jätkusuutlik ressursside regenereerimine
• CO2 eemaldamine ja O2 tootmine
• Toiduainete tootmine
• Veepuhastus
• Jäätmete ringlussevõtt
• Potentsiaalsed psühholoogilised eelised (nt taimede olemasolu)

Puudused:

• Keerukus ja ebastabiilsus
• Tundlikkus keskkonnamuutuste suhtes
• Aeglane reageerimisaeg
• Saastumise potentsiaal
• Suur ruumivajadus

Praegused uuringud ja arendustegevus

CLSS-ide tõhususe, usaldusväärsuse ja jätkusuutlikkuse parandamiseks tehakse olulisi teadus- ja arendustegevusi. Peamised fookusvaldkonnad on järgmised:

• Täiustatud bioreaktorid: Tõhusamate ja kompaktsemate bioreaktorite arendamine õhu taaselustamiseks, veepuhastuseks ja jäätmetöötluseks.
• Optimeeritud põllukultuuride valik: CLSS keskkondadesse kõige paremini sobivate põllukultuuride tuvastamine, arvestades toiteväärtust, kasvukiirust ja ressursivajadust.
• Tehisintellekt ja masinõpe: Tehisintellekti ja masinõppe kasutamine süsteemi jõudluse optimeerimiseks, rikete ennustamiseks ja juhtimisprotsesside automatiseerimiseks.
• Mikroobne ökoloogia: CLSS-is olevate mikroorganismide keerukate vastastikmõjude mõistmine ja nende haldamine optimaalseks ressursside ringluseks.
• Suletud ahelaga vesiviljelus: Vesiviljelussüsteemide integreerimine CLSS-i, et toota valguallikana kala ja muid veeorganisme.
• 3D-printimine: 3D-printimise kasutamine CLSS-i kohandatud komponentide, näiteks bioreaktorite, hüdropooniliste süsteemide ja jäätmekäitlusseadmete loomiseks.

Suletud ahelaga elu tagamise süsteemide rakendused

1. Kosmoseuuringud

CLSS-i arendamise peamine tõukejõud on olnud vajadus toetada astronaute pikaajalistel kosmosemissioonidel. CLSS on hädavajalik, et vähendada sõltuvust varude täiendamisest ja võimaldada inimkonna uurimisretki Marsile ja kaugemale.

Näide: NASA programm Advanced Exploration Systems (AES) arendab CLSS-tehnoloogiaid tulevaste Kuu ja Marsi missioonide jaoks.

2. Planeetide eelpostid ja asulad

CLSS on ülioluline iseseisvate elupaikade rajamisel teistele planeetidele. Need süsteemid peavad pakkuma kõiki inimeste ellujäämiseks vajalikke ressursse, sealhulgas õhku, vett, toitu ja jäätmekäitlust.

Näide: Marsi Ühing arendab Utah's Marsi kõrbe uurimisjaama (MDRS), et simuleerida Marsil elamise väljakutseid ja testida CLSS-tehnoloogiaid.

3. Ekstreemsed keskkonnad Maal

CLSS-i saab kasutada ka inimeste elutegevuse toetamiseks ekstreemsetes keskkondades Maal, nagu Antarktika, veealused elupaigad ja maa-alused punkrid.

Näide: Antarktika uurimisjaamad kasutavad CLSS-tehnoloogiaid, et vähendada oma keskkonnamõju ja parandada jätkusuutlikkust.

4. Jätkusuutlik põllumajandus ja ressursihaldus

CLSS-i põhimõtteid saab rakendada jätkusuutlikumate põllumajandustavade ja ressursihaldussüsteemide arendamiseks Maal. See hõlmab:

• Vertikaalviljelus: Põllukultuuride kasvatamine siseruumides virnastatud kihtidena, et maksimeerida ruumikasutust ja minimeerida veetarbimist.
• Akvapoonika: Vesiviljeluse ja hüdropoonika integreerimine, et luua suletud ahelaga süsteem, mis taaskasutab toitaineid ja vett.
• Reoveepuhastus: Bioloogiliste puhastussüsteemide kasutamine reovee puhastamiseks ja väärtuslike ressursside taaskasutamiseks.
• Anaeroobne kääritamine: Orgaaniliste jäätmete muundamine biogaasiks ja väetiseks.

Näide: Arvukad ettevõtted ja organisatsioonid arendavad linnakeskkondades vertikaalfarme ja akvapoonikasüsteeme, et pakkuda värsket, kohapeal kasvatatud toitu, vähendades samal ajal transpordikulusid ja keskkonnamõju.

5. Katastroofiabi ja hädaolukordadeks valmisolek

CLSS-i saab kasutada oluliste ressursside pakkumiseks katastroofipiirkondades ja hädaolukordades. Autonoomsed CLSS-üksused võivad pakkuda puhast vett, toitu ja peavarju ümberasustatud elanikkonnale.

Väljakutsed ja tulevikusuunad

Vaatamata märkimisväärsele edule on CLSS-ide arendamisel ja kasutuselevõtul endiselt mitmeid väljakutseid:

• Keerukus ja maksumus: CLSS-ide projekteerimine, ehitamine ja käitamine on keeruline ja kulukas.
• Usaldusväärsus ja vastupidavus: CLSS peab olema väga usaldusväärne ja vastupidav, et taluda karme keskkonnatingimusi ja ootamatuid sündmusi.
• Skaleeritavus: CLSS peab olema skaleeritav, et toetada suuremaid populatsioone ja pikemaid perioode.
• Integratsioon: Erinevate CLSS-komponentide integreerimine ühtseks ja tõhusaks süsteemiks on suur väljakutse.
• Avalikkuse heakskiit: Avalikkuse skeptitsismi ületamine ja CLSS-tehnoloogiate heakskiidu saavutamine on nende laialdaseks kasutuselevõtuks ülioluline.

Tulevased teadus- ja arendustegevused keskenduvad nende väljakutsete lahendamisele ning CLSS-ide jõudluse ja taskukohasuse parandamisele. Peamised innovatsioonivaldkonnad on järgmised:

• Tõhusamate ja kompaktsemate bioreaktorite arendamine.
• Põllukultuuride valiku optimeerimine CLSS-keskkondade jaoks.
• Tehisintellekti ja masinõppe kasutamine CLSS-i juhtimise ja haldamise automatiseerimiseks.
• Taastuvate energiaallikate integreerimine CLSS-i.
• Suletud ahelaga vesiviljelussüsteemide arendamine.
• 3D-printimise kasutamine kohandatud CLSS-komponentide loomiseks.
• Sünteetilise bioloogia potentsiaali uurimine uute organismide loomiseks ressursside regenereerimiseks.

Kokkuvõte

Suletud ahelaga elu tagamise süsteemid kujutavad endast murrangulist tehnoloogiat, millel on potentsiaal revolutsioneerida kosmoseuuringuid ja lahendada kriitilisi jätkusuutlikkuse probleeme Maal. Kuigi olulised väljakutsed püsivad, sillutavad käimasolevad teadus- ja arendustegevused teed tõhusamatele, usaldusväärsematele ja taskukohasematele CLSS-idele. Jätkates kosmose uurimist ja püüeldes jätkusuutlikuma tuleviku poole, hakkab CLSS mängima üha olulisemat rolli inimkonna ellujäämise ja heaolu tagamisel.

Teekond täielikult suletud ahelaga süsteemide suunas on pidev protsess, mis nõuab interdistsiplinaarset koostööd inseneride, bioloogide, keskkonnateadlaste ja poliitikakujundajate vahel üle kogu maailma. See on investeering meie tulevikku, nii kosmoseavarustes kui ka meie koduplaneedil Maa.

Lisalugemist

• MELiSSA projekt (Euroopa Kosmoseagentuur): https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Melissa
• NASA täiustatud uurimissüsteemid (AES): https://www.nasa.gov/exploration/systems/index.html
• Kontrollitud keskkonnaga põllumajanduse keskus (Arizona ülikool): https://ceac.arizona.edu/