Woda Pitna w Kosmosie: Technologie Pozyskiwania
- Szczegóły
Woda to jedna z najbardziej niezbędnych dla nas substancji. Człowiek nie może bez niej żyć, gdyż jest ona nie tylko składnikiem odżywczym, ale też umożliwia regulowanie procesów zachodzących w ludzkim organizmie. Bez wody już po kilku dniach nasze życie będzie zagrożone.
To dlatego tak ważne jest zapewnienie ludziom w miejscu, gdzie mieszkają, odpowiednich zapasów wody pitnej. Pitnej, czyli takiej, którą możemy pić bez uszczerbku na zdrowiu. Jednak nie każde ziemskie źródło czy zbiornik wodny zapewni krystalicznie czystą wodę. Często trzeba ją oczyszczać, odkwaszać, a w przypadku wody morskiej odsalać.
Te techniki są przydatne, gdy woda jest w pobliżu, ale nie spełnia odpowiednich norm. Czasem trzeba jednak czegoś wiecej, transportu wody, bo tam, gdzie człowiek upodobał sobie miejsce do życia, jej nie ma lub jest jej bardzo mało.
Wyzwania związane z transportem wody w kosmos
Transport wody już na Ziemi jest wyzwaniem, a co dopiero transport na orbitę Ziemi, gdzie nie ma naturalnych jej źródeł. Dlatego na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej istnieje system, który pozwala odzyskiwać wodę z potu i moczu, uzdatniać tę, która stała się zanieczyszczona.
Pojawiły się także pomysły kombinezonów, które są w stanie same odzyskiwać wodę z potu i moczu nawet podczas spacerów kosmicznych, by zminimalizować jej zużycie pod każdym względem. Bo choć astronauci na orbicie są w stanie przywrócić do obiegu 98 procent wody, to i tak musi być ona co pewien czas uzupełniana, gdyż nie cała odzyskana woda nadaje się do picia. Zapasy uzupełnia się, dostarczając je z Ziemi.
Przeczytaj także: Gdzie kupić wodę destylowaną?
I choć koszty wyniesienia towarów w przestrzeń kosmiczną w przyszłości będą malały, to wciąż transport dużej jej ilości będzie nieopłacalny. Szczególnie, gdy ta woda ma zostać użyta przez astronautów nie na orbicie Ziemi, ale znacznie dalej, na przykład na Księżycu, gdzie zapotrzebowanie będzie pewnie jeszcze większe.
Dostępność wody na Księżycu
Teoretycznie dostępność wody na naszym naturalnym satelicie nie jest problemem. Wiemy już, że na Księżycu znajdują się spore zapasy wody, choć nie widać ich na pierwszy rzut oka. Część może być ukryta w postaci osadów lodu, które kryją się w stale zacienionych częściach kraterów w okolicach biegunów księżycowych.
Nawet jeśli te zasoby nie są tak obfite, jak zakładamy (są ku temu argumenty, które dostarczyła sonda LRO), to lód z kraterów nie jest jedynym źródłem wody. Woda znajduje się też w gruncie księżycowym także na oświetlonej części Księżyca i można ją odzyskać, choć jest jej tam według szacunków nawet 100 razy mniej niż na terenie Sahary.
Wymaga to opracowania odpowiednich technologii wydobycia, ale nie jest niemożliwe i ostatecznie okaże się zapewne tańsze i wygodniejsze niż ciągłe dowożenie wody z Ziemi. Dotychczas koncentrowaliśmy się na kwestii zapewnienia źródła wody na Księżycu, okazuje się, że istotne jest też zagadnienie zapewnienia odpowiedniej jakości tej wody. A ta po wytworzeniu na Księżycu nie będzie nadawała się do bezpośredniego spożycia.
Zanieczyszczenia wody księżycowej
Cóż, na Ziemi także trzeba budować oczyszczalnie, dbać o odpowiednie pH wody, która jest przeznaczona do picia. Co jednak może czynić dopiero co odzyskaną z powierzchni Księżyca wodę szkodliwą, niezależnie od tego, jak zostanie pozyskana? Jeszcze tam nie zdążyliśmy przecież zbytnio naśmiecić.
Przeczytaj także: Inwestycje w Jakość Wody w Proszówkach
Pył księżycowy ma niezwykłe własności. Ma konsystencję proszku, który na dodatek jest elektrostatycznie naładowany, a jego drobiny są tak ostre, że są w stanie uszkodzić odzież, skórę i wewnętrzne organy człowieka, gdy pył trafi do układu oddechowego czy też trawiennego.
Pył jest też wszechobecny, a niska grawitacja na Księżycu sprawia, że nawet jeśli się nie przyczepił do urządzeń przeznaczonych do wydobycia i transportu wody, to i tak bardzo szybko trafi do jej obiegu, a także aparatury wydobywczej.
Naukowcy z niemieckiego DLR, którzy pracują od dawna właśnie nad techniką pozyskiwania wody z gruntu Księżycowego, sprawdzili, co stanie się z wodą, gdy tę zanieczyścimy pyłem księżycowym (wykorzystano tu wytworzony na Ziemi symulant pyłu o podobnych własnościach). Pył łatwo się rozpuszcza w wodzie i powoduje jej zmętnienie, wzrost pH i stężenia glinu, a także żelaza, manganu i wapnia ponad dopuszczalne przez WHO normy.
Mówiąc inaczej, astronauci na Księżycu, pijąc księżycową wodę bez jej odfiltrowania, piliby ją na własną zgubę. Nie mówiąc już o wspomnianych wcześniej własnościach samego pyłu.
Technologie pozyskiwania wody z regolitu księżycowego
Odfiltrowanie wody z regolitu nie jest celem nieosiągalnym, ale dodaje się do długiej już listy wyzwań, którym trzeba stawić czoła, zanim ludzie na poważnie zaczną myśleć o pozostaniu na Księżycu na dłużej. Teraz może nie trzeba się tym przejmować, bo istotniejsze jest, by w ogóle udało się ponownie człowieka wysłać na Księżyc.
Przeczytaj także: Woda mineralna Józef: Zalety
Dziś dysponujemy próbkami skał księżycowych przywiezionych przez astronautów Apollo, a także próbkami, które w swoim czasie zebrali Rosjanie. Obecnie jedynym źródłem świeżych próbek są chińskie misje. Niedawno jedna z nich Chang’e 6 dostarczyła próbki z części Księżyca niewidocznej z Ziemi, a w próbkach pobranych kilka lat temu przez misję Chang’e 5 odkryto z kolei ślady wody.
Chińska metoda pozyskiwania wody z regolitu
Naukowcy z Chin odkryli zaskakująco prosty sposób na pozyskiwanie wody z księżycowego gruntu, wykorzystując nowatorską metodologię. Jak donosi South China Morning Post, najnowszą technikę przetestowano na próbkach księżycowego gruntu, które zostały przywiezione na Ziemię w ramach misji Chang'e 5 w 2020 roku. Była to pierwsza od 44 lat misja księżycowa, która dostarczyła na naszą planetę próbki lunarnego materiału.
Badacze z Chińskiej Akademii Nauk stwierdzili, że próbki gruntu zawierały wysokie stężenia wodoru i tlenu oraz innych cennych pierwiastków. Po podgrzaniu ich do temperatury przekraczającej 980 stopni Celsjusza pierwiastki te połączyły się i utworzyły parę wodną. Sam grunt księżycowy ulegał natomiast stopieniu i można było z niego uzyskać żelazo oraz szkło ceramiczne.
Okazało się, że zaledwie jeden gram księżycowej gleby, może wytworzyć od 51 do 76 miligramów wody. W związku z tym badacze oszacowali, że z jednej tony takiego gruntu można uzyskać około 50 litrów wody.
Projekt LUWEX - polski wkład w pozyskiwanie wody z regolitu
Międzynarodowy zespół naukowców, w tym badacze z Politechniki Wrocławskiej, opracował technologię, dzięki której woda może zostać pozyskana z księżycowego regolitu. Jak powiedział prof. Karol Leluk, urządzenie może uzupełniać zasoby wody w przyszłych stałych bazach kosmicznych.
Międzynarodowy zespół naukowców opracował metodę pozyskiwania wody z księżycowego regolitu, czyli warstwy zwietrzałej, luźnej skały pokrywającej powierzchnię naszego naturalnego satelity, Ziemi, a także innych skalistych planet i księżyców. W projekcie LUWEX („Validation of Lunar Water Extraction and Purification Technologies for In-Situ Propellant and Consumables Production”) brali udział badacze z Niemieckiego Centrum Aeronautyki i Kosmonautyki w Bremie, Uniwersytetu Technicznego w Brunszwiku (Niemcy) i Politechniki Wrocławskiej oraz pracownicy firm Liquifer Systems Group (Austria), Thales Alenia Space (Włochy) i Scanway Space (Polska).
„Procesy pozyskiwania, oczyszczania i monitorowania jakości wody, które do tej pory były prowadzone osobno, zamknęliśmy w ramach jednego układu” - powiedział dr hab. Karol Leluk, prof. Politechniki Wrocławskiej z Wydziału Inżynierii Środowiska i kierownik polskiego zespołu uczestniczącego w projekcie LUWEX.
Stwierdził, że woda występuje w księżycowym regolicie w małym stopniu : na każde 100 g regolitu księżycowego przypada maksymalnie 1,2 g lodu. „Ale to wystarczy, by za pomocą systemu LUWEX wyprodukować czystą wodę na powierzchni Księżyca” - opowiadał ekspert.
Prof. Karol Leluk wyjaśnił, jak działa system LUWEX. W próżniowym reaktorze najpierw skała jest rozdrabniana, potem ogrzewana podczas mieszania za pomocą metalowych prętów. Obecny w regolicie lód w wyniku sublimacji przechodzi do fazy gazowej. Już wtedy następuje pierwszy etap oczyszczania - z gazu można pozbyć się fazy stałej, czyli okruchów skał.
Później para wodna jest skraplana na tzw. zimnym palcu (metalowym walcu o temperaturze minus 150 st. C) i kierowana do oczyszczania za pomocą węgla aktywnego, filtrów, odwróconej osmozy (wymuszonej dyfuzji płynu przez półprzepuszczalną błonę) i wymiany jonowej (z wykorzystaniem nierozpuszczalnej w wodzie substancji czynnej, np. odpowiednich minerałów).
W tym wieloetapowym procesie system LUWEX usuwa z wody m.in. składniki, które w niewielkich stężeniach są obecne również w wodzie wodociągowej. Jednym z elementów sytemu LUWEX jest układ do stałego monitoringu jakości wody. Właśnie tą częścią projektu zajął się zespół Politechniki Wrocławskiej.
W monitoringu wykorzystano turbidymetr, czyli mętnościomierz, sondę konduktometryczną do badania zawartości jonów oraz pH-metr określający pH roztworu. Jak poinformował naukowiec, mętność oczyszczonej w systemie LUWEX wody była „praktycznie zerowa”, konduktometr wskazywał wartości charakterystyczne dla wodociągowej wody do picia, a pH oscylowało wokół siódemki, czyli wartości charakterystycznej dla roztworu neutralnego.
System LUWEX był testowany w laboratorium, jednak w założeniu ma działać na Księżycu w warunkach mikrograwitacji. „Układ został skonstruowany tak, że do jego działania grawitacja nie jest potrzebna. Działa pod ciśnieniem, przepływ cieczy jest w nim wymuszony, nie ma tam naturalnych spływów” - zaakcentował prof. Karol Leluk.
Dodał, że LUWEX może być przydatny podczas misji kosmicznych m.in. dlatego, że zajmuje mniej miejsca niż kilka odrębnych urządzeń do pozyskiwania, oczyszczania i monitorowania jakości wody. „To ważne, bo wynoszenie ładunków na orbitę wiąże się z wysokimi kosztami. LUWEX waży 14 kg, ma ok. dwóch metrów wysokości oraz po półtora metra szerokości i głębokości. Nie jest to jeszcze urządzenie biurkowe, ale jeśli nasza praca spotka się z zainteresowaniem branży kosmicznej, w następnych etapach będziemy dążyć do zmniejszenia jego wymiarów i masy” - zapowiedział naukowiec.
Projekt LUWEX kosztował prawie 1,5 mln euro i był finansowany w ramach europejskiego programu ramowego Horyzont Europa.
Inne metody pozyskiwania wody w kosmosie
Zespół badaczy z Chińskiego Uniwersytetu w Hongkongu (Shenzhen) opracował technologię, dzięki której można nie tylko wydobywać wodę z księżycowego gruntu, ale też przekształcać ją w paliwo i tlen niezbędny do oddychania. Jak? Dzięki strategii fototermicznej, czyli przekształcaniu światła w ciepło. To ciepło służy do rozbijania związków chemicznych, w tym wypadku cząsteczek zawierających wodór i tlen.
Największy przełom polega na tym, że zespół opracował zintegrowany proces, który nie tylko pozyskuje wodę, ale także natychmiast wykorzystuje ją do produkcji tlenu oraz paliwa: wodoru i tlenku węgla.
Nowy system ma jeszcze jedną kluczową zaletę: jest energooszczędny. Tradycyjne metody rozbijania wody na tlen i wodór wymagają sporych ilości energii. Tutaj cały proces odbywa się dzięki koncentracji światła, bez potrzeby stosowania skomplikowanych instalacji czy ogromnych źródeł energii.
Systemy recyklingu wody na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS)
Ważnym zadaniem naukowców z dziedziny astronautyki, jest znalezienie sposobów recyklingu i odzyskiwania niezbędnych surowców takich jak żywność, powietrze czy woda. Na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) każdy członek załogi potrzebuje dziennie około 3,78 litra wody do picia, przygotowywania posiłków i wykonywania czynności higienicznych, takich jak mycie zębów.
Idealnym rozwiązaniem było odzyskanie 98 proc. ECLSS składa się z kilku sprzętów, w tym systemu odzyskiwania wody, który zbiera pozostałości a także osuszaczy, które pochłaniają wilgoć z powietrza, powstałą w wyniku oddychania i wydzielani potu przez załogę. Element UPA natomiast destyluje mocz, produkując w efekcie ubocznym solankę zawierającą wodę, która nie była ponownie wykorzystywana. Do UPA dodano zespół procesora solanki (BPA) pozostawiający jedynie płyn i usuwający resztę odpadów.
Podobnie jak reszta nieczystości, jest ona dokładnie oczyszczana przez WPA za pomocą specjalistycznych filtrów i reaktora katalitycznego, który usuwa wszelkie zanieczyszczenia. To właśnie to rozwiązanie pozwoliło uzyskać wreszcie odzyskiwanie wody na poziomie 98 proc.
Pozyskiwanie wody z atmosfery
Aby sprostać temu wyzwaniu, inżynierowie z Massachusetts Institute of Technology (MIT) w Cambridge postanowili wykorzystać nietypowe źródło - atmosferę. Zespół z MIT opracował nowy typ urządzenia do pozyskiwania wody z powietrza, które skutecznie wychwytuje parę wodną i przekształca ją w wodę pitną, nawet w suchych warunkach pustynnych - opisali w artykule, który ukazał się w czasopiśmie "Nature Water". Nowe urządzenie ma temu zaradzić.
Ich wynalazek to czarny, pionowy panel wielkości okna, wykonany z hydrożelu, który przypomina czarną folię bąbelkową. Hydrożel pęcznieje, gdy pochłania parę wodną, a następnie kurczy się, gdy para odparowuje i skrapla się na szklanej powierzchni, z której woda spływa do rurki jako czysta woda pitna.
Zespół testował urządzenie przez tydzień w Dolinie Śmierci, najgorętszym miejscu w Ameryce Północnej. Nawet przy niskiej wilgotności urządzenie było w stanie pozyskać do 160 mililitrów wody dziennie.
Zespół szacuje, że wiele takich paneli ustawionych w małej sieci mogłoby dostarczać wodę pitną dla gospodarstw domowych, nawet w suchych regionach. Produkcja wody powinna wzrastać wraz z wilgotnością, co czyni system efektywnym również w klimatach umiarkowanych i tropikalnych.
Badacze z Shanghai Jiao Tong University w Chinach wykorzystali w urządzeniu superhigroskopijny żel zdolny do pochłaniania i zatrzymywania wyjątkowo dużej ilości wody. Chińska technologia może pomóc przetrwać ludziom w wielu rejonach, w których dostęp do wody jest ograniczony.
Medycyna kosmiczna i monitoring zdrowia astronautów
Do podstawowych zadań medycyny kosmicznej zalicza się selekcję astronautów, ich szkolenie do misji kosmicznych, monitoring ich zdrowia w czasie misji, adaptację i rehabilitację po powrocie z kosmosu.
Kluczowym zadaniem medycyny kosmicznej, korzystnym również dla ludzi na Ziemi, jest rozwój metod, procedur i urządzeń umożliwiających ochronę zdrowia w trybie zdalnym.
Szczególnie interesującym elementem medycyny kosmicznej jest monitoring zdrowia astronautów w czasie misji za pośrednictwem telemedycyny, czyli poprzez wykorzystywanie mobilnych urządzeń telekomunikacyjnych, jak tablet czy laptop.
Astronauci na ISS codziennie zdają raporty lekarzom pracującym w naziemnych centrach astronautów. Codziennie nawiązywany jest kontakt z psychologiem i rodziną. Regularna komunikacja to podstawowe narzędzie w utrzymaniu zdrowia i dobrego samopoczucia astronauty.
Dodatkowymi elementami zapewniającymi bezpieczeństwo w kosmosie są eliminacja lęków poprzez wielokrotne trenowanie ekstremalnych scenariuszy w czasie szkoleń w warunkach symulowanych na Ziemi, świadomość i rozumienie zagrożeń, przede wszystkim zaś procedury. Zaliczamy tu między innymi regularne zbieranie parametrów fizjologicznych i środowiskowych, takich jak pomiary masy ciała, ciśnienia, temperatury, odczyty dozymetrów czy wykonywanie testów wydolnościowych w czasie codziennych 2-godzinnych ćwiczeń fizycznych.
Przyszłość eksploracji kosmosu i pozyskiwania zasobów
Około 50 lat temu człowiek stanął na Księżycu, a od 20 lat astronauci nieprzerwanie pracują na orbicie okołoziemskiej w Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS). W najbliższych latach zbudowane będą stacje badawcze na orbicie Księżyca i na jego powierzchni, a Elon Musk zorganizuje pionierski załogowy lot na Marsa.
Jeśli opracowana właśnie technologia rzeczywiście zadziała w realnych warunkach księżycowych, a nie tylko w laboratorium, może stać się fundamentem dla tej bazy. Profesor Lu Wang, jeden z autorów badania, przyznaje, że jego zespół był zaskoczony skutecznością swojego rozwiązania. Nie spodziewaliśmy się, że księżycowy pył okaże się tak ‘magiczny’ - powiedział w oświadczeniu.
Dzięki opracowaniu i zademonstrowaniu technologii wydobywania i oczyszczania wody z symulantu regolitu księżycowego, położyliśmy podwaliny pod zrównoważoną eksplorację kosmosu i utorowaliśmy drogę przyszłym inicjatywom wykorzystania zasobów in-situ. Projekt stanowi tym samym ważny kamień milowy w badaniach nad wykorzystaniem zasobów księżycowych - podkreśla prof. Karol Leluk.
tags: #woda #pitna #w #kosmosie #technologie #pozyskiwania
