Nowy system filtracji moczu w skafandrze kosmicznym opracowany przez badaczy z Cornell przetwarza mocz astronautów w wodę pitną, mając na celu poprawę komfortu i wydajności przyszłych misji na Księżyc i Marsa.
Obecnie astronauci podczas spacerów kosmicznych muszą załatwiać swoje potrzeby fizjologiczne w skafandrach kosmicznych. Jest to nie tylko niewygodne i niehigieniczne, ale także marnotrawstwo. Inaczej niż w systemie gospodarki ściekami na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS), woda z moczu podczas spacerów kosmicznych nie jest poddawana recyklingowi.
Naukowcy z Cornell rozwiązują ten problem, tworząc nowatorski system gromadzenia i filtrowania moczu inspirowany „stillsuitami” z serii science-fiction Dune. Podobnie jak te filtry, ich prototyp pochłania i oczyszcza mocz, a następnie przetwarza go w wodę pitną.
Sofia Etlin, pracująca w Weill Cornell Medicine i Cornell University oraz pierwsza autorka badania, wyjaśnia: „Projekt obejmuje zewnętrzny cewnik działający na podciśnienie, który prowadzi do połączonego urządzenia do osmozy typu forward-reverse, zapewniającego ciągły dopływ wody pitnej z wieloma mechanizmami bezpieczeństwa zapewniającymi dobre samopoczucie astronautów”
Przyszłe misje i obecne wyzwania
W latach 2025 i 2026 NASA planuje realizację misji Artemis II i III, podczas których załoga okrąży Księżyc i wyląduje na jego biegunie południowym. Oczekuje się, że na początku lat trzydziestych XXI wieku nastąpią misje załogowe na Marsa. Jednak astronauci od dawna narzekali na brak komfortu i higieny istniejącej odzieży o maksymalnej chłonności (MAG) – systemu gospodarowania odpadami stosowanego w tradycyjnych skafandrach kosmicznych NASA stosowanego od końca lat 70. XX wieku – który działa jak wielowarstwowa pieluszka dla dorosłych wykonana z superchłonnego polimeru.
Plan misji NASA Artemis III. Źródło: Wikimedia Commons
„Zdarzało się, że MAG przeciekał, co powodowało problemy zdrowotne, takie jak infekcje dróg moczowych i problemy żołądkowo-jelitowe. Ponadto aktualnie astronauci mają do dyspozycji tylko jeden litr wody w swoich torbach na napoje w kombinezonach. To za mało w przypadku planowanych dłuższych spacerów kosmicznych na Księżyc, które mogą trwać dziesięć godzin, a w sytuacji awaryjnej nawet do 24 godzin” – powiedziała Etlin.
Astronauci poprosili również o skrócenie w przyszłych skafandrach czasu potrzebnego na napełnienie i odgazowanie torebek z napojami umieszczonych w skafandrze oraz o dodanie osobnego zapasu wysokoenergetycznych napojów bez kofeiny.
Innowacyjny projekt pobierania moczu
Mając na uwadze wszystkie te cele, Etlin i współpracownicy zaprojektowali urządzenie do zbierania moczu, składające się z bielizny wykonanej z wielu warstw elastycznego materiału. Łączy się to z miseczką zbiorczą (o różnym kształcie i rozmiarze dla kobiet i mężczyzn) wykonaną z formowanego silikonu, pasującą do genitaliów.
Modele kubków do pobierania moczu (po lewej: wersja męska, po prawej: wersja żeńska). Źródło: Etlin i in (2024). DOI: 10.3389/frspt.2024.1391200
Wewnętrzna strona kubka zbierającego jest wyłożona mikrofibrą poliestrową lub mieszanką nylonu i spandexu, która odprowadza mocz z dala od ciała w kierunku wewnętrznej powierzchni kubka, skąd jest on zasysany przez pompę próżniową. Etykieta RFID połączona z chłonnym hydrożelem reaguje na wilgoć, uruchamiając pompę. (RFID to skrót od określenia radio-frequency identification, czyli metody automatycznej identyfikacji danych przypisanych do zaprogramowanych tagów przy pomocy czytnika. W najprostszym ujęciu system składa się z trzech elementów: nadajnika, odbiornika i transmitera.)
Po zebraniu mocz jest kierowany do systemu filtracji moczu, gdzie jest poddawany recyklingowi ze skutecznością 87% w dwuetapowym, zintegrowanym systemie filtracji z zastosowaniem przedniej i odwróconej osmozy. Wykorzystuje gradient stężeń do usuwania wody z moczu oraz pompę do oddzielania wody od soli. Oczyszczona woda jest następnie wzbogacana w elektrolity i pompowana do znajdującej się w kombinezonie torby na napoje, ponownie nadającej się do spożycia. Pobranie i oczyszczenie 500 ml moczu zajmuje tylko pięć minut.
Technologia forward-reverse umożliwia uzdatnianie wody za pomocą membrany osmotycznej, po której następuje system membran odwróconej osmozy, w celu wytworzenia wody wysokiej jakości. Ilustracja pokazuje szacunkowe zużycie energii dla proponowanego systemu. Źródło: Etlin i in (2024). DOI: 10.3389/frspt.2024.1391200
Testowanie i wdrożenie nowego systemu
System, który integruje pompy sterujące, czujniki i wyświetlacz ciekłokrystaliczny, zasilany jest akumulatorem 20,5 V o pojemności 40 amperogodzin. Jego całkowite wymiary to 38 na 23 na 23 cm, a waga około ośmiu kilogramów: jest wystarczająco kompaktowy i lekki, aby można go było nosić z tyłu skafandra kosmicznego.
Widok z boku kombinezonu kosmicznego typu filtrak („stillsuit”), w którym układ oczyszczania wody jest noszony jak plecak. Źródło: Karen Morales
Teraz, gdy prototyp jest już dostępny, nowy projekt będzie można przetestować w symulowanych warunkach mikrograwitacji, ponieważ mikrograwitacja jest głównym czynnikiem przestrzennym, który należy uwzględnić. Testy te zapewnią funkcjonalność i bezpieczeństwo systemu, zanim zostanie on zastosowany w rzeczywistych misjach kosmicznych.
Więcej informacji: publikacja “Enhanced astronaut hygiene and mission efficiency: a novel approach to in-suit waste management and water recovery in spacewalks”, Sofia Etlin i in (2024), Frontiers in Space Technologies. DOI: 10.3389/frspt.2024.1391200
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Grafika przedstawiająca Fremenów z Dune w filtrfrakach. Źródło: Wikimedia Commons
