Podporni sistemi z zaprto zanko: Ohranjanje življenja v ekstremnih okoljih in onkraj

Podporni sistemi z zaprto zanko (CLSS) predstavljajo paradigmatičen premik v načinu ohranjanja človeškega življenja v izoliranih okoljih z omejenimi viri. Te tehnologije, prvotno zasnovane za dolgotrajne vesoljske misije, so vse bolj prepoznane zaradi svojega potenciala pri reševanju perečih trajnostnih izzivov na Zemlji. Ta članek ponuja celovit pregled CLSS, raziskuje njihova načela, komponente, uporabo in najsodobnejše raziskave, ki oblikujejo njihovo prihodnost.

Kaj je podporni sistem z zaprto zanko?

CLSS je samozadosten ekološki sistem, zasnovan za recikliranje virov – zraka, vode in odpadkov – da bi zmanjšali potrebo po zunanjih vložkih. V bistvu posnema naravne biogeokemične cikle Zemlje v zaprtem ali delno zaprtem okolju. Cilj je ustvariti trajnosten habitat, ki lahko zagotovi vse potrebne vire za preživetje in dobro počutje ljudi.

Za razliko od sistemov z odprto zanko, ki se močno zanašajo na ponovno oskrbo, si CLSS prizadevajo za skoraj popolno obnovo virov. Zaradi tega so bistveni za:

• Dolgoročne vesoljske misije: Zmanjšanje logističnega bremena in stroškov prevoza zalog na oddaljene destinacije, kot je Mars.
• Planetarne postojanke in naselja: Ustvarjanje samozadostnih habitatov na drugih planetih.
• Ekstremna okolja na Zemlji: Podpora raziskovalnim postajam na Antarktiki, podvodnim habitatom in podzemnim bunkerjem.
• Trajnostno kmetijstvo in upravljanje z viri: Razvoj sistemov z zaprto zanko za pridelavo hrane, čiščenje vode in recikliranje odpadkov v urbanih okoljih in oddaljenih skupnostih.

Ključne komponente podpornega sistema z zaprto zanko

A CLSS običajno sestavlja več medsebojno povezanih komponent, od katerih je vsaka odgovorna za določeno funkcijo:

1. Obnova zraka

Ta komponenta se osredotoča na ohranjanje dihalne atmosfere z odstranjevanjem ogljikovega dioksida (CO2) in obnavljanjem kisika (O2). Tradicionalne metode, kot so kemični čistilci, zahtevajo ponovno oskrbo s kemikalijami. Napredni CLSS uporabljajo:

• Fizikalno-kemične metode: Uporaba kemičnih reakcij, adsorpcije ali membranskih tehnologij za odstranjevanje CO2 in ustvarjanje O2. Primeri vključujejo Sabatierjev reaktor (pretvarjanje CO2 in vodika v metan in vodo) in elektrolitske celice s trdnim oksidom (SOEC), ki cepijo vodo na vodik in kisik.
• Bioregenerativne metode: Uporaba rastlin ali alg za absorpcijo CO2 s fotosintezo in sproščanje O2. To zagotavlja tudi vir hrane in pomaga pri čiščenju vode.

Primer: Projekt Evropske vesoljske agencije (ESA) MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative) vključuje tako fizikalno-kemične kot bioregenerativne metode za obnovo zraka.

2. Čiščenje in recikliranje vode

Voda je dragocen vir, zlasti v zaprtih okoljih. CLSS uporabljajo sofisticirane sisteme za čiščenje in recikliranje vode za pridobivanje vode iz različnih virov, vključno z:

• Urin in odpadna voda: Uporaba membranske filtracije, destilacije in biološke obdelave za odstranjevanje onesnaževal in patogenov.
• Kondenzat vlage: Zbiranje vodne pare iz zraka.
• Transpiracija rastlin: Pridobivanje vode, ki jo transpirirajo rastline.

Očiščena voda se nato ponovno uporabi za pitje, higieno in namakanje rastlin.

Primer: Mednarodna vesoljska postaja (ISS) uporablja sistem za obnovo vode (WRS), ki lahko reciklira do 93 % vode na krovu.

3. Pridelava hrane

Zagotavljanje trajnostne preskrbe s hrano je ključnega pomena za dolgoročno bivanje. CLSS vključujejo sisteme kmetijstva v nadzorovanem okolju (CEA) za gojenje poljščin v zaprtih prostorih z uporabo umetne razsvetljave, hidroponike ali aeroponike. Ključni vidiki vključujejo:

• Kroženje hranil: Pridobivanje hranil iz odpadnih materialov in njihovo recikliranje nazaj v sistem za pridelavo hrane.
• Izbira poljščin: Izbira poljščin, ki so hranljive, enostavne za gojenje in učinkovite pri pretvarjanju CO2 v biomaso. Primeri vključujejo pšenico, riž, sojo, krompir, solato in spirulino.
• Optimizacija virov: Zmanjšanje porabe vode in energije.

Primer: Raziskave v Centru za kmetijstvo v nadzorovanem okolju Univerze v Arizoni se osredotočajo na razvoj učinkovitih in trajnostnih sistemov za pridelavo hrane za raziskovanje vesolja in urbano kmetijstvo.

4. Ravnanje z odpadki

Učinkovito ravnanje z odpadki je bistveno za ohranjanje zdravega in sanitarnega okolja. CLSS uporabljajo različne tehnologije za predelavo in recikliranje odpadnih materialov, vključno z:

• Kompostiranje: Uporaba mikroorganizmov za razgradnjo organskih odpadkov v gnojilo, bogato s hranili.
• Anaerobna razgradnja: Razgradnja organskih odpadkov v odsotnosti kisika za proizvodnjo bioplina (metan in CO2).
• Piroliza: Segrevanje odpadnih materialov v odsotnosti kisika za proizvodnjo bio-olja, bio-oglja in sinteznega plina.
• Sežiganje: Sežiganje odpadkov pri visokih temperaturah za zmanjšanje njihove prostornine in proizvodnjo energije (z ustreznimi sistemi za nadzor emisij).

Predelani odpadki se lahko nato uporabijo kot gnojilo za rast rastlin ali kot vir energije.

Primer: NASA Ames raziskovalni center razvija napredne sisteme za ravnanje z odpadki za prihodnje lunarne in marsovske habitate.

5. Nadzor in spremljanje okolja

Ohranjanje stabilnega in udobnega okolja je ključnega pomena za zdravje in produktivnost ljudi. CLSS vključujejo sofisticirane sisteme za nadzor okolja za uravnavanje temperature, vlažnosti, zračnega tlaka in razsvetljave. Vključujejo tudi senzorje in sisteme za spremljanje za sledenje ključnim parametrom in odkrivanje morebitnih nepravilnosti.

Vrste podpornih sistemov z zaprto zanko

CLSS lahko na splošno razdelimo v dve kategoriji:

1. Fizikalno-kemični podporni sistemi (PCLSS)

Ti sistemi se za obnovo virov zanašajo predvsem na kemične in fizikalne procese. Običajno so bolj kompaktni in zanesljivi kot bioregenerativni sistemi, vendar zahtevajo več energije in lahko proizvajajo strupene stranske produkte.

Prednosti:

• Visoka učinkovitost in zanesljivost
• Kompaktna velikost
• Dobro uveljavljena tehnologija

Slabosti:

• Visoka poraba energije
• Možnost nastanka strupenih stranskih produktov
• Omejena sposobnost prilagajanja spreminjajočim se razmeram

2. Bioregenerativni podporni sistemi (BLSS)

Ti sistemi za recikliranje virov uporabljajo biološke organizme, kot so rastline, alge in mikroorganizmi. Ponujajo potencial za večjo trajnost in odpornost, vendar so bolj zapleteni in zahtevajo skrbno upravljanje.

Prednosti:

• Trajnostna obnova virov
• Odstranjevanje CO2 in proizvodnja O2
• Pridelava hrane
• Čiščenje vode
• Recikliranje odpadkov
• Potencialni psihološki učinki (npr. prisotnost rastlin)

Slabosti:

• Kompleksnost in nestabilnost
• Občutljivost na okoljske spremembe
• Počasen odzivni čas
• Možnost kontaminacije
• Velike prostorske zahteve

Trenutne raziskave in razvoj

V teku so pomembna raziskovalna in razvojna prizadevanja za izboljšanje učinkovitosti, zanesljivosti in trajnosti CLSS. Ključna področja osredotočanja vključujejo:

• Napredni bioreaktorji: Razvoj učinkovitejših in kompaktnejših bioreaktorjev za obnovo zraka, čiščenje vode in obdelavo odpadkov.
• Optimizirana izbira poljščin: Določanje poljščin, ki so najprimernejše za okolja CLSS, ob upoštevanju hranilne vrednosti, hitrosti rasti in potreb po virih.
• Umetna inteligenca in strojno učenje: Uporaba umetne inteligence in strojnega učenja za optimizacijo delovanja sistema, napovedovanje okvar in avtomatizacijo nadzornih procesov.
• Mikrobna ekologija: Razumevanje kompleksnih interakcij med mikroorganizmi v CLSS in kako jih upravljati za optimalno kroženje virov.
• Akvalultura z zaprto zanko: Vključevanje sistemov akvakulture v CLSS za proizvodnjo rib in drugih vodnih organizmov kot vira beljakovin.
• 3D tiskanje: Uporaba 3D tiskanja za ustvarjanje prilagojenih komponent za CLSS, kot so bioreaktorji, hidroponični sistemi in naprave za ravnanje z odpadki.

Uporaba podpornih sistemov z zaprto zanko

1. Raziskovanje vesolja

Glavni razlog za razvoj CLSS je bila potreba po ohranjanju astronavtov med dolgotrajnimi vesoljskimi misijami. CLSS so bistveni za zmanjšanje odvisnosti od ponovne oskrbe in omogočanje človeškega raziskovanja Marsa in dlje.

Primer: Program NASA-e Advanced Exploration Systems (AES) razvija tehnologije CLSS za prihodnje lunarne in marsovske misije.

2. Planetarne postojanke in naselja

CLSS bodo ključni za vzpostavitev samozadostnih habitatov na drugih planetih. Ti sistemi bodo morali zagotoviti vse potrebne vire za preživetje ljudi, vključno z zrakom, vodo, hrano in ravnanjem z odpadki.

Primer: Društvo Mars razvija raziskovalno postajo Mars Desert Research Station (MDRS) v Utahu za simulacijo izzivov življenja na Marsu in testiranje tehnologij CLSS.

3. Ekstremna okolja na Zemlji

CLSS se lahko uporabljajo tudi za podporo bivanja ljudi v ekstremnih okoljih na Zemlji, kot so Antarktika, podvodni habitati in podzemni bunkerji.

Primer: Raziskovalne postaje na Antarktiki uporabljajo tehnologije CLSS za zmanjšanje svojega vpliva na okolje in izboljšanje svoje trajnosti.

4. Trajnostno kmetijstvo in upravljanje z viri

Načela CLSS se lahko uporabijo za razvoj bolj trajnostnih kmetijskih praks in sistemov za upravljanje z viri na Zemlji. To vključuje:

• Vertikalno kmetovanje: Gojenje poljščin v zaprtih prostorih v zloženih plasteh za maksimiziranje izrabe prostora in zmanjšanje porabe vode.
• Akvaponika: Povezovanje akvakulture in hidroponike za ustvarjanje sistema z zaprto zanko, ki reciklira hranila in vodo.
• Čiščenje odpadnih voda: Uporaba bioloških sistemov za čiščenje odpadnih voda in pridobivanje dragocenih virov.
• Anaerobna razgradnja: Pretvarjanje organskih odpadkov v bioplin in gnojilo.

Primer: Številna podjetja in organizacije razvijajo vertikalne kmetije in akvaponične sisteme v urbanih okoljih za zagotavljanje sveže, lokalno pridelane hrane ob zmanjšanju transportnih stroškov in vpliva na okolje.

5. Pomoč ob nesrečah in pripravljenost na izredne razmere

CLSS se lahko uporabljajo za zagotavljanje bistvenih virov na območjih, prizadetih zaradi nesreč, in med izrednimi razmerami. Samostojne enote CLSS lahko zagotovijo čisto vodo, hrano in zatočišče za razseljeno prebivalstvo.

Izzivi in prihodnje usmeritve

Kljub znatnemu napredku ostaja več izzivov pri razvoju in uvajanju CLSS:

• Kompleksnost in stroški: CLSS so kompleksni in dragi za načrtovanje, gradnjo in delovanje.
• Zanesljivost in robustnost: CLSS morajo biti zelo zanesljivi in robustni, da prenesejo težke okoljske pogoje in nepričakovane dogodke.
• Prilagodljivost obsegu: CLSS morajo biti prilagodljivi za podporo večjim populacijam in daljšim obdobjem.
• Integracija: Vključevanje različnih komponent CLSS v skladen in učinkovit sistem je velik izziv.
• Sprejetje v javnosti: Premagovanje javnega skepticizma in pridobivanje sprejetja za tehnologije CLSS je ključnega pomena za njihovo široko uporabo.

Prihodnja raziskovalna in razvojna prizadevanja se bodo osredotočila na reševanje teh izzivov ter izboljšanje zmogljivosti in cenovne dostopnosti CLSS. Ključna področja inovacij vključujejo:

• Razvoj učinkovitejših in kompaktnejših bioreaktorjev.
• Optimizacija izbire poljščin za okolja CLSS.
• Uporaba umetne inteligence in strojnega učenja za avtomatizacijo nadzora in upravljanja CLSS.
• Vključevanje obnovljivih virov energije v CLSS.
• Razvoj sistemov akvakulture z zaprto zanko.
• Uporaba 3D tiskanja za ustvarjanje prilagojenih komponent CLSS.
• Raziskovanje potenciala sintetične biologije za ustvarjanje novih organizmov za obnovo virov.

Zaključek

Podporni sistemi z zaprto zanko predstavljajo transformativno tehnologijo s potencialom, da revolucionirajo raziskovanje vesolja in rešijo kritične trajnostne izzive na Zemlji. Čeprav ostajajo pomembni izzivi, sedanja raziskovalna in razvojna prizadevanja utirajo pot učinkovitejšim, zanesljivejšim in cenovno dostopnejšim CLSS. Medtem ko nadaljujemo z raziskovanjem vesolja in si prizadevamo za bolj trajnostno prihodnost, bodo CLSS igrali vse pomembnejšo vlogo pri zagotavljanju preživetja in dobrega počutja človeštva.

Pot proti popolnoma zaprtim sistemom je stalen proces, ki zahteva interdisciplinarno sodelovanje med inženirji, biologi, okoljskimi znanstveniki in oblikovalci politik po vsem svetu. To je naložba v našo prihodnost, tako v prostranem vesolju kot na našem domačem planetu, Zemlji.

Nadaljnje branje

• Projekt MELiSSA (Evropska vesoljska agencija): https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Melissa
• NASA Advanced Exploration Systems (AES): https://www.nasa.gov/exploration/systems/index.html
• Center za kmetijstvo v nadzorovanem okolju (Univerza v Arizoni): https://ceac.arizona.edu/