Gesloten Levensondersteuningssystemen: Leven Onderhouden in Extreme Omgevingen en Daarbuiten

Gesloten levensondersteuningssystemen (CLSS) vertegenwoordigen een paradigmaverschuiving in hoe we het onderhouden van menselijk leven in geïsoleerde en hulpbronnenbeperkte omgevingen benaderen. Oorspronkelijk bedacht voor langdurige ruimtemissies, worden deze technologieën steeds meer erkend voor hun potentieel om dringende duurzaamheidsuitdagingen op aarde aan te pakken. Dit artikel biedt een uitgebreid overzicht van CLSS, waarbij de principes, componenten, toepassingen en het baanbrekende onderzoek dat hun toekomst vormgeeft, worden onderzocht.

Wat is een Gesloten Levensondersteuningssysteem?

Een CLSS is een zelfvoorzienend ecologisch systeem dat is ontworpen om hulpbronnen – lucht, water en afval – te recyclen om de behoefte aan externe toevoer te minimaliseren. In wezen bootst het de natuurlijke biogeochemische cycli van de aarde na binnen een gesloten of gedeeltelijk gesloten omgeving. Het doel is om een duurzame habitat te creëren die alle noodzakelijke middelen voor menselijke overleving en welzijn kan bieden.

In tegenstelling tot open-lussystemen, die sterk afhankelijk zijn van herbevoorrading, streven CLSS naar een bijna volledige regeneratie van hulpbronnen. Dit maakt ze essentieel voor:

• Langdurige ruimtemissies: Het verminderen van de logistieke last en kosten van het transporteren van voorraden naar verre bestemmingen zoals Mars.
• Planetaire buitenposten en nederzettingen: Het creëren van zelfvoorzienende habitats op andere planeten.
• Extreme omgevingen op aarde: Het ondersteunen van onderzoeksstations op Antarctica, onderwaterhabitats en ondergrondse bunkers.
• Duurzame landbouw en hulpbronnenbeheer: Het ontwikkelen van gesloten-lussystemen voor voedselproductie, waterzuivering en afvalrecycling in stedelijke omgevingen en afgelegen gemeenschappen.

Belangrijke Componenten van een Gesloten Levensondersteuningssysteem

Een CLSS bestaat doorgaans uit verschillende onderling verbonden componenten, die elk verantwoordelijk zijn voor een specifieke functie:

1. Luchtzuivering

Dit onderdeel richt zich op het handhaven van een ademende atmosfeer door kooldioxide (CO2) te verwijderen en zuurstof (O2) aan te vullen. Traditionele methoden, zoals chemische scrubbers, vereisen herbevoorrading van chemicaliën. Geavanceerde CLSS maken gebruik van:

• Fysicochemische methoden: Het gebruik van chemische reacties, adsorptie of membraantechnologieën om CO2 te verwijderen en O2 te genereren. Voorbeelden zijn de Sabatier-reactor (die CO2 en waterstof omzet in methaan en water) en vaste-oxide-elektrolysecellen (SOEC's) die water splitsen in waterstof en zuurstof.
• Bioregeneratieve methoden: Het gebruik van planten of algen om CO2 op te nemen via fotosynthese en O2 vrij te geven. Dit levert ook een voedselbron op en helpt water te zuiveren.

Voorbeeld: Het MELiSSA-project (Micro-Ecological Life Support System Alternative) van de Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA) integreert zowel fysicochemische als bioregeneratieve methoden voor luchtzuivering.

2. Waterzuivering en -recycling

Water is een kostbare hulpbron, vooral in gesloten omgevingen. CLSS maken gebruik van geavanceerde waterzuiverings- en recyclingsystemen om water terug te winnen uit verschillende bronnen, waaronder:

• Urine en afvalwater: Gebruik van membraanfiltratie, destillatie en biologische behandeling om verontreinigingen en pathogenen te verwijderen.
• Vochtcondensaat: Het opvangen van waterdamp uit de lucht.
• Transpiratie van planten: Het terugwinnen van water dat door planten wordt getranspireerd.

Het gezuiverde water wordt vervolgens hergebruikt voor drinken, hygiëne en irrigatie van planten.

Voorbeeld: Het Internationaal Ruimtestation (ISS) gebruikt een Water Recovery System (WRS) dat tot 93% van het water aan boord kan recyclen.

3. Voedselproductie

Het voorzien in een duurzame voedselvoorziening is cruciaal voor langdurige bewoning. CLSS integreren systemen voor gecontroleerde omgevingslandbouw (CEA) om gewassen binnenshuis te verbouwen, met behulp van kunstlicht, hydrocultuur of aeroponics. Belangrijke overwegingen zijn:

• Nutriëntencyclus: Het terugwinnen van voedingsstoffen uit afvalmaterialen en deze recyclen in het voedselproductiesysteem.
• Gewaskeuze: Het kiezen van gewassen die voedzaam zijn, gemakkelijk te verbouwen en efficiënt in het omzetten van CO2 in biomassa. Voorbeelden zijn tarwe, rijst, sojabonen, aardappelen, sla en spirulina.
• Optimalisatie van hulpbronnen: Het minimaliseren van water- en energieverbruik.

Voorbeeld: Onderzoek aan het Controlled Environment Agriculture Center van de Universiteit van Arizona richt zich op het ontwikkelen van efficiënte en duurzame voedselproductiesystemen voor ruimteverkenning en stadslandbouw.

4. Afvalbeheer

Effectief afvalbeheer is essentieel voor het behoud van een gezonde en hygiënische omgeving. CLSS maken gebruik van verschillende technologieën om afvalmaterialen te verwerken en te recyclen, waaronder:

• Compostering: Het gebruik van micro-organismen om organisch afval af te breken tot een voedingsrijke meststof.
• Anaerobe vergisting: Het afbreken van organisch afval in afwezigheid van zuurstof om biogas (methaan en CO2) te produceren.
• Pyrolyse: Het verhitten van afvalmaterialen in afwezigheid van zuurstof om bio-olie, biochar en syngas te produceren.
• Verbranding: Het verbranden van afval bij hoge temperaturen om het volume te verminderen en energie op te wekken (met passende emissiebeheersingssystemen).

Het verwerkte afval kan vervolgens worden gebruikt als meststof voor plantengroei of als energiebron.

Voorbeeld: Het NASA Ames Research Center ontwikkelt geavanceerde afvalbeheersystemen voor toekomstige habitats op de maan en Mars.

5. Omgevingscontrole en -bewaking

Het handhaven van een stabiele en comfortabele omgeving is cruciaal voor de menselijke gezondheid en productiviteit. CLSS bevatten geavanceerde omgevingscontrolesystemen om temperatuur, vochtigheid, luchtdruk en verlichting te reguleren. Ze omvatten ook sensoren en bewakingssystemen om belangrijke parameters te volgen en eventuele afwijkingen te detecteren.

Soorten Gesloten Levensondersteuningssystemen

CLSS kunnen grofweg in twee categorieën worden ingedeeld:

1. Fysicochemische Levensondersteuningssystemen (PCLSS)

Deze systemen vertrouwen voornamelijk op chemische en fysische processen om hulpbronnen te regenereren. Ze zijn doorgaans compacter en betrouwbaarder dan bioregeneratieve systemen, maar ze vereisen meer energie en kunnen giftige bijproducten produceren.

Voordelen:

• Hoge efficiëntie en betrouwbaarheid
• Compact formaat
• Bewezen technologie

Nadelen:

• Hoog energieverbruik
• Potentiële vorming van giftige bijproducten
• Beperkt vermogen om zich aan te passen aan veranderende omstandigheden

2. Bioregeneratieve Levensondersteuningssystemen (BLSS)

Deze systemen maken gebruik van biologische organismen, zoals planten, algen en micro-organismen, om hulpbronnen te recyclen. Ze bieden het potentieel voor grotere duurzaamheid en veerkracht, maar ze zijn complexer en vereisen zorgvuldig beheer.

Voordelen:

• Duurzame regeneratie van hulpbronnen
• CO2-verwijdering en O2-productie
• Voedselproductie
• Waterzuivering
• Afvalrecycling
• Potentieel voor psychologische voordelen (bijv. de aanwezigheid van planten)

Nadelen:

• Complexiteit en instabiliteit
• Gevoeligheid voor omgevingsveranderingen
• Trage responstijd
• Potentieel voor besmetting
• Grote ruimtevereisten

Huidig Onderzoek en Ontwikkeling

Er worden aanzienlijke onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen geleverd om de efficiëntie, betrouwbaarheid en duurzaamheid van CLSS te verbeteren. Belangrijke aandachtsgebieden zijn:

• Geavanceerde bioreactoren: Het ontwikkelen van efficiëntere en compactere bioreactoren voor luchtzuivering, waterzuivering en afvalbehandeling.
• Geoptimaliseerde gewaskeuze: Het identificeren van gewassen die het meest geschikt zijn voor CLSS-omgevingen, rekening houdend met voedingswaarde, groeisnelheid en benodigde hulpbronnen.
• Kunstmatige intelligentie en machine learning: Het gebruik van AI en machine learning om de systeemprestaties te optimaliseren, storingen te voorspellen en controleprocessen te automatiseren.
• Microbiële ecologie: Het begrijpen van de complexe interacties tussen micro-organismen in CLSS en hoe deze te beheren voor optimale hulpbronnenkringlopen.
• Gesloten-lus aquacultuur: Het integreren van aquacultuursystemen in CLSS om vis en andere waterorganismen te produceren als eiwitbron.
• 3D-printen: Het gebruik van 3D-printen om op maat gemaakte componenten voor CLSS te creëren, zoals bioreactoren, hydrocultuursystemen en afvalbeheerapparaten.

Toepassingen van Gesloten Levensondersteuningssystemen

1. Ruimteverkenning

De belangrijkste drijfveer voor de ontwikkeling van CLSS is de noodzaak om astronauten te onderhouden tijdens langdurige ruimtemissies. CLSS zijn essentieel om de afhankelijkheid van herbevoorrading te verminderen en menselijke verkenning van Mars en daarbuiten mogelijk te maken.

Voorbeeld: Het Advanced Exploration Systems (AES) programma van NASA ontwikkelt CLSS-technologieën voor toekomstige missies naar de maan en Mars.

2. Planetaire Buitenposten en Nederzettingen

CLSS zullen cruciaal zijn voor het opzetten van zelfvoorzienende habitats op andere planeten. Deze systemen moeten alle noodzakelijke middelen voor menselijke overleving bieden, waaronder lucht, water, voedsel en afvalbeheer.

Voorbeeld: De Mars Society ontwikkelt een Mars Desert Research Station (MDRS) in Utah om de uitdagingen van het leven op Mars te simuleren en CLSS-technologieën te testen.

3. Extreme Omgevingen op Aarde

CLSS kunnen ook worden gebruikt om menselijke bewoning in extreme omgevingen op aarde te ondersteunen, zoals Antarctica, onderwaterhabitats en ondergrondse bunkers.

Voorbeeld: Onderzoeksstations op Antarctica gebruiken CLSS-technologieën om hun milieu-impact te verminderen en hun duurzaamheid te verbeteren.

4. Duurzame Landbouw en Hulpbronnenbeheer

CLSS-principes kunnen worden toegepast om duurzamere landbouwpraktijken en hulpbronnenbeheersystemen op aarde te ontwikkelen. Dit omvat:

• Verticale landbouw: Gewassen binnenshuis in gestapelde lagen verbouwen om het ruimtegebruik te maximaliseren en het waterverbruik te minimaliseren.
• Aquaponics: Het integreren van aquacultuur en hydrocultuur om een gesloten-lussysteem te creëren dat voedingsstoffen en water recyclet.
• Afvalwaterbehandeling: Het gebruik van biologische behandelingssystemen om afvalwater te zuiveren en waardevolle hulpbronnen terug te winnen.
• Anaerobe vergisting: Het omzetten van organisch afval in biogas en meststof.

Voorbeeld: Talloze bedrijven en organisaties ontwikkelen verticale boerderijen en aquaponicssystemen in stedelijke omgevingen om vers, lokaal geteeld voedsel te leveren en tegelijkertijd transportkosten en milieu-impact te verminderen.

5. Noodhulp en Rampenparaatheid

CLSS kunnen worden gebruikt om essentiële middelen te leveren in door rampen getroffen gebieden en tijdens noodsituaties. Zelfstandige CLSS-eenheden kunnen schoon water, voedsel en onderdak bieden aan ontheemde bevolkingsgroepen.

Uitdagingen en Toekomstige Richtingen

Ondanks aanzienlijke vooruitgang blijven er verschillende uitdagingen bestaan bij de ontwikkeling en implementatie van CLSS:

• Complexiteit en kosten: CLSS zijn complex en duur om te ontwerpen, bouwen en beheren.
• Betrouwbaarheid en robuustheid: CLSS moeten zeer betrouwbaar en robuust zijn om bestand te zijn tegen zware omgevingscondities en onverwachte gebeurtenissen.
• Schaalbaarheid: CLSS moeten schaalbaar zijn om grotere populaties en langere duur te ondersteunen.
• Integratie: Het integreren van verschillende CLSS-componenten in een samenhangend en efficiënt systeem is een grote uitdaging.
• Publieke acceptatie: Het overwinnen van publieke scepsis en het verkrijgen van acceptatie voor CLSS-technologieën is cruciaal voor hun wijdverbreide toepassing.

Toekomstige onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen zullen zich richten op het aanpakken van deze uitdagingen en het verbeteren van de prestaties en betaalbaarheid van CLSS. Belangrijke innovatiegebieden zijn:

• Het ontwikkelen van efficiëntere en compactere bioreactoren.
• Het optimaliseren van gewaskeuze voor CLSS-omgevingen.
• Het gebruik van kunstmatige intelligentie en machine learning om de controle en het beheer van CLSS te automatiseren.
• Het integreren van hernieuwbare energiebronnen in CLSS.
• Het ontwikkelen van gesloten-lus aquacultuursystemen.
• Het gebruik van 3D-printen om op maat gemaakte CLSS-componenten te creëren.
• Het verkennen van het potentieel van synthetische biologie om nieuwe organismen te creëren voor de regeneratie van hulpbronnen.

Conclusie

Gesloten levensondersteuningssystemen vertegenwoordigen een transformerende technologie met het potentieel om ruimteverkenning te revolutioneren en kritieke duurzaamheidsuitdagingen op aarde aan te pakken. Hoewel er aanzienlijke uitdagingen blijven, banen voortdurende onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen de weg voor efficiëntere, betrouwbaardere en betaalbaardere CLSS. Terwijl we de kosmos blijven verkennen en streven naar een duurzamere toekomst, zullen CLSS een steeds belangrijkere rol spelen in het waarborgen van de overleving en het welzijn van de mensheid.

De reis naar volledig gesloten systemen is een doorlopend proces, dat interdisciplinaire samenwerking vereist tussen ingenieurs, biologen, milieuwetenschappers en beleidsmakers over de hele wereld. Het is een investering in onze toekomst, zowel in de uitgestrekte ruimte als op onze thuisplaneet, de Aarde.

Verder Lezen

• MELiSSA Project (Europese Ruimtevaartorganisatie): https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Melissa
• NASA Advanced Exploration Systems (AES): https://www.nasa.gov/exploration/systems/index.html
• Controlled Environment Agriculture Center (Universiteit van Arizona): https://ceac.arizona.edu/