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Dieser Artikel soll die Chemie und Technik von Lebenserhaltungssystemen in Raumfahrzeugen beleuchten.
Vereinfacht gesagt bezieht jeder Organismus (auch der Mensch) seine Energie aus der Oxidation organischer Substanzen:
CxOyHz + O2 → x CO2 + z/2 H2O
Es entsteht Wasser als Oxidationsprodukt (es nimmt den Wasserstoff der organischen Verbindungen auf) sowie Kohlendioxid als Oxidationsprodukt des Kohlenstoffes.
Darüber hinaus entsteht Urin als Ausscheidungsprodukt und ebenso Kot. Ein Lebenserhaltungssystem ist im Idealfall ein geschlossenes System, welches keine oder nur minimale Zufuhr von außen benötigt. Derzeit sind solche Systeme noch nicht umgesetzt aber weitgehend technisch möglich.
Bei den Mercury, Gemini und Apolloflügen waren die Astronauten maximal 14 Tage im All. Die Kosten- und Gewichtsabwägungen sprachen hier gegen ein regeneratives Lebenserhaltungssystem. Das Wasser wurde als Vorrat mitgeführt und entstand als Nebenprodukt der Stromerzeugung bei den Brennstoffzellen, die Wasserstoff und Sauerstoff „verbrannten“ und dabei Wasser und Strom lieferten. Bei dem Space Shuttle war die Stromerzeugung schon so leistungsfähig, das mehr Wasser erzeugt als benötigt wurde.
Nahrungsmittel wurden in dehydrierter Form (gefriergetrocknet, getrocknet), getrocknet oder als Dauerwaren mitgeführt und mit Wasser vor dem Verzehr versetzt.
Die Ausscheidungen wurden in Beuteln gesammelt oder im Falle des Urins auch direkt über Bord entlassen.
Bleibt noch das Problem das Kohlendioxid zu entsorgen. Kohlendioxid ist bei höheren Konzentrationen ein giftiges Gas. Bei niedrigen Konzentrationen bis 1,5 % nimmt das Atemvolumen zu, bei etwa 5 % treten Schwindel und Kopfschmerzen auf und bei 8% droht innerhalb von 30-60 Minuten Tod durch Ersticken.
Bei Kurzzeitmissionen wurde das Kohlendioxid chemisch gebunden. Eine Reihe von Substanzen reagieren mit Kohlendioxid. Genutzt wurde (und wird) Lithiumhydroxid. Dieses Alkalisalz reagiert mich Kohlendioxid chemisch zu Lithiumcarbonat. Diese Reaktion ist irreversibel. Dadurch kann die Konzentration in der Atemluft sehr niedrig eingestellt werden.
2 LiOH + CO2 → Li2CO3
Genutzt werden können als Verbindungen alle Alkali- und Erdalkalihydroxide. Lithiumhydroxid wird genutzt, weil es die geringste Molekülmasse hat. Ein Mol LiOH wiegt 26 g und bindet ein halbes Mol Kohlendioxid (44 g × /1/2) = 22 g. Je nach Energieverbrauch und Zusammensetzung der Nahrung erzeugt eine Person unterschiedliche Mengen an Kohlendioxid. Im ungünstigsten Fall sind es 1 kg pro Person und Tag, wofür man rund 1200 g Lithiumhydroxid benötigt.
Es ist klar, dass dies keine Lösung für Langzeitmissionen ist. Bei der ISS würden für sechs Astronauten 2.628 kg Lithiumhydroxid pro Jahr benötigt. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Filter gewechselt werden müssen. Bei Apollo sollte der normale Gehalt in der Atemluft bei unter 0,4% liegen. Stieg er auf 1%, so mussten die Filter gewechselt werden und bei 2% waren sie gesättigt. Als bei Apollo 13 die LEM-Filter die für 85 Stunden Betriebszeit und zwei Astronauten über vier Tage arbeiten mussten und das von drei Astronauten ausgeatmete Kohlendioxid aufnehmen mussten, waren sie überfordert und die Bodenkontrolle entwickelte eine provisorische Lösung, um die Filter der Kommandokapsel im LEM einzubauen.
Ein weiterer Nachteil des Lithiumhydroxids ist, dass es auch mit Wasser reagiert. Es reagiert sogar lieber mit Wasser als mit Kohlendioxid. Die Luft muss also absolut trocken sein. Dazu wird sie vorher chemisch getrocknet. Genutzt wird dazu Silikagel nach einer vorgeschalteten elektrisch betriebenen Kondensationsanlage, die den größten Teil der Luftfeuchtigkeit abscheidet.
Für Raumanzüge und Ausstiege ins All sind auch heute noch Lithiumhydroixdkanister die einzige sinnvolle Lösung, da ein Lebenserhaltungssystem viel zu schwer wäre und die Astronauten bei der Arbeit behindern würde.
Bei Langzeitmissionen ist ein wichtigster Punkt die Menge der Versorgungsgüter zu minimieren. Das geschieht, indem Kreisläufe geschlossen werden, also Abfallprodukte möglichst vermieden werden oder wiederaufarbeitet werden.
Die Nahrung ist nur mit großem Aufwand an einer Raumstation zu erzeugen. Es gab zwar Experimente an Bord der Mir Station Kräuter zu züchten oder Weizen. Doch das grundlegende Problem ist nicht die Produktion von landwirtschaftlichen Rohprodukten sondern die Tatsache, dass Getreide alleine nicht als Nahrungsmittel geeignet werden. Nur um Brot zu erzeugen, muss das Getreide geerntet und gemahlen werden. Die dabei erzeugten Spelzen müssen zu Humus kompostiert werden. Der Brotteig wird aus Hefe und Salz zubereitet und muss gebacken werden. Dies ist nur der Prozess für ein Nahrungsmittel, das noch dazu recht einfach hergestellt werden kann. Bei den meisten verarbeiteten Nahrungsmitteln sind mehr Schritte notwendig und es werden auch tierische Nahrungsmittel benötigt, die auf einer Station kaum erzeugt werden können. Es würden zahlreiche Einrichtungen benötigt werden und noch gravierender: Es wird wertvolle Arbeitszeit der Besatzung benötigt.
Kohlendioxid wird bei längeren Missionen nicht mehr chemisch, sondern physikalisch gebunden. Der Unterschied dazu ist, dass der Prozess dann reversibel ist. Das erlaubt es, zumindest das Substrat des Filters wiederzuverwenden. In einem zweiten Schritt kann dann auch das Kohlendioxid wiederaufgearbeitet werden.
Skylab setzte als erstes US-System ein regeneratives System ein. Es gibt zwei mögliche Systeme, von denen heute nur das zweite eingesetzt wird. Zum einen können polymere Amine und Amide eingesetzt werden. In diesen wird das Kohlendioxid gebunden indem die N-H Bindung positiv polarisiert ist und die C=O Bindung negativ. Dadurch bindet sich das Kohlendioxid vor allem, wenn die räumliche Struktur so gewählt ist dass der Zwischenraum zwischen zwei oder mehreren N-H Bindungen genau so groß ist, dass dort ein Kohlendioxid Molekül hineinpasst.
Da Amine und Amide allerdings ebenso gerne Brücken zu Wassermolekülen aufbauen, muss auch hier die Luft recht trocken sein, wenn auch nicht absolut wasserfrei.
Zeolithe haben diesen Nachteil nicht Zeolithe
sind eine Untergruppe der Gerüstsilikate. Sie haben eine besondere molekulare
Struktur die man als „Käfigmoleküle“ bezeichnet. Es gibt in der Struktur
Hohlräume (siehe Bild). Zeolithe werden daher seit einigen Jahrzehnten genutzt
in Waschmitteln und befinden sich auch in den Regenerationskästen von
Spülmaschinen. Hier tauschen sie Calcium- und Magnesiumionen gegen sonst
gebundene Natriumionen aus. Das Regenerationssalz in der Spülmaschine dient
dem Rückaustausch.
In Lebenserhaltungssystemen werden synthetische Zeolithe eingesetzt die als Molekularsiebe dienen: Die Hohlräume sind so gewählt, das Kohlendioxid eindringen kann, andere Moleküle aber nicht. Durch Erhitzen kann das Kohlendioxid dann später ausgetrieben werden. Bei der ersten Generation war dazu noch ein Vakuum notwendig, sodass das Kohlendioxid nicht wiedergewonnen werden konnte. Heute werden im Batchverfahren abwechselnd einzelne Behälter gesättigt und durch Erhitzen wieder vom Kohlendioxid befreit.
Das Kohlendioxid kann dann aufgearbeitet werden.
Der Sauerstoff kann vom Lebenserhaltungssystem zurückgewonnen werden. Das derzeitige Lebenserhaltungssystem der ISS gewinnt aus dem Wasser den Sauerstoff zurück:
H2O + Energie → H2 + O2
Der Wasserstoff wird ins All abgegeben, genauso wie das vom Menschen ausgeatmete Kohlendioxid. Obwohl es andere Möglichkeiten gibt, ist dies die heute technisch einzig eingesetzte.
Die Reaktion ist eine normale Elektrolyse des Wassers, also die Aufspaltung mittels Strom in die einzelnen Bestandteile. Von Vorteil ist, dass Wasser viel einfacher transportierbar ist als Sauerstoff. Im flüssigen Zustand muss Sauerstoff auf -183°C verflüssigt wird. Als Gas benötigt er schwere Drucktanks die mehr wiegen als der Inhalt. Daher wird dieser Umweg beschritten.
Wasser kann aus den Ausscheidungen und Kabinenluft zurückgewonnen werden. Bei dem ersten (russischen) ISS System wurde das Wasser aus der Luftfeuchtigkeit zurückgewonnen. Der Mensch atmet einen Teil des aufgenommenen Wassers aus. Dieses gelangt in die Luftfeuchtigkeit. Eine zweite, 2009 installierte Stufe destilliert den Urin. Das reduzierte den Wasserbedarf um 65% oder sparte 2.850 l Wasser pro Jahr ein. Das System kann 93% des Wassers aus dem Urin wiedergewinnen. Technisch möglich wäre es auch den Kot zu destillieren. Doch die dort gebundene Wassermenge ist geringer und die Menge kleiner, sodass sich dies heute noch nicht lohnt.
Die Rückgewinnung des Wassers us der Luft geschieht in der Regel so, dass die Kabinenatmosphäre mit einem Kompressor komprimiert wird. Wie jeder aus eigener Erfahrung mit einer Luftpumpe (z.B. fürs Fahrrad) kennt, erwärmt sie sich dabei. Sie passiert dann einen Wärmeaustauscher, bei dem sie die Wärme abgibt. Wenn sie nun wieder expandiert, also einen niedrigeren Druck einnimmt, fehlt ihr die vorher abgegebene Wärme und sie kühlt sich unter den Kondensationspunkt von Wasser ab. Dieses kondensiert und wird gesammelt.
Bisher ist das System noch teilweise offen:
Kohlendioxid wird erzeugt und entfernt und ins All entlassen, es enthält aber chemisch gebunden Sauerstoff.
Wasser wird aufgespaltet in Wasserstoff und Sauerstoff, aber nur der Letztere wird benötigt.
Ziel ist es die Kreisläufe zu schließen, also möglichst keine Zufuhr von außen zu benötigen. Technisch gäbe es die Möglichkeit, nach dem Sabatierprozess das Kohlendioxid zu Methan zu reduzieren und dabei Wasser zurückzugewinnen:
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O
Der Sabatierprozess läuft unter hohem Druck und Temperatur (370°C) ab, wobei Nickel- oder Ruthemiumkatalysatoren die Reaktionsenergie erniedrigen (die Reaktion ist endotherm, also muss von außen Energie zugeführt werden. Das Wasser wird dann in einem flüssigkeitsgekühlten Kondensator abgeschieden und kann in den Wasserkreislauf eingebracht werden.
Das entstehende Methan kann nun ins All entlassen werden oder als Arbeitsmedium für ein Ionentriebwerk dienen. Der Vorteil liegt in dem (fast) geschlossenen Kreislauf. Der Sauerstoff, der im Kohlendioxid gebunden ist, wird wieder zu Wasser, das in den Kreislauf zurückgelangt. Der Wasserstoff, der bei der derzeitigen Anlage, die Sauerstoff aus Wasser gewinnt, als Abfallprodukt anfällt, wird ebenfalls sinnvoll genutzt, indem damit das Kohlendioxid reduziert wird.
Der Vorteil des Sabatierprozesses wird bei den Molekularmassen deutlich:
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O
44 g + 8 g → 16 g + 36 g
Kohlendioxid entsteht als Abfallprodukt, der Wasserstoff bei der Elektrolyse von Wasser. Die Reaktion liefert Methan. Das Methan wird nirgendwo in einem Lebenserhaltungssystem verwendet. Es könnte aber verflüssigt werden und für einen chemischen Antrieb eingesetzt werden oder direkt als Arbeitsmedium für ein Plasmatriebwerk. Doch selbst wenn es nicht verwendet wird, so wird der Abfall um 69 % reduziert (vorher 52 g pro Mol, nun 16 g).
Noch weiter geht der Bosch-Prozess. Er verläuft nach folgender Grundgleichung:
CO2 + 2 H2 → C + 2 H2O
Dabei entsteht Graphit, das sich auf dem Katalysator (Stahlwolle) abscheidet. Der Prozess läuft ebenfalls bei hohem Druck und Temperatur ab (typisch 650°C). Bei einmaligen Durchlaufen wird nur 10% des Kohlendioxids reduziert, sodass die Gase im Kreislauf durchgeschleust werden, wobei sie jedes Mal beim Durchlaufenen einen Wärmeaustauscher passieren und durch einen Kompressor passieren. Die wesentlich höheren Anforderungen an Temperatur, das mehrfache Durchlaufen der Reaktionskammer und das Entfernen der Stahlwolle führen dazu, dass dieser Prozess heute nicht eingesetzt wird. Nach:
CO2 + 2 H2 → C + 2 H2O
44 g + 4 g → 12 g + 36 g
Würde er die Abfallprodukte um 75 % reduzieren. Dazu kommen noch 12 g Stahlwolle pro kg Kohlendioxid, sodass die Effizienz nur 73,8% liegt, also nur wenig besser als beim Sabatierprozess.
Mit STS-131 wurde ein Rack eines kommerziellen Herstellers zur ISS gebracht. Es arbeitet das Kohlendioxid nach dem Sabatierprozess auf und erzeugt 900 kg Wasser pro Jahr. Funktioniert die Anlage reibungslos bis zum September 2014, so erhält die Firma Hamilton Sundstrand Space von der NASA 65 Millionen Dollar.
Hier ein exemplarisches Beispiel einer Bilanz: (Werte gerundet, daher das Ergebnis nicht gleich Null)
|
Edukt |
Produkt |
Menge |
|---|---|---|
|
Wasseraufnahme |
|
+2000 g |
|
Oxidationswasser (entsteht beim Stoffwechsel) |
|
+300 g |
|
|
Ausgeatmetes Wasser |
-700 g |
|
|
Urin |
-1500 g |
|
|
Kot (Wasseranteil) |
-100 g |
|
Nahrung (trocken) |
|
+400 g |
|
|
Kot (Fester Anteil) |
-100 g |
|
Sauerstoffaufnahme |
|
+600 g |
|
|
Kohlendioxidabgabe |
-1000 g |
Nach heutigem Stand kann der Kot nicht aufgearbeitet werden (200 g Verlust), der Urin zu 93 % (100 g Verlust).
Um 600 g Sauerstoff aus Wasser zu gewinnen, werden 675 g Wasser benötigt. Es entstehen 75 g Wasserstoff.
Für die Reduktion von 1000 g Kohlendioxid werden 182 g Wasserstoff benötigt, also mehr als anfällt. So können heute 400 g Kohlendioxid reduziert werden und es entstehen 600 g Verluste.
Netto ist so der Bedarf auf 900 g pro Person und Tag reduzierbar. Dazu kommen natürlich noch andere Abfälle wie Hygienewasser, Kühlwasser etc. Die Kreisläufe können nie ganz geschlossen werden, schon alleine, weil der Kohlenstoff nicht in vollständig reduzierter Form vorliegt.
Ab einem bestimmten Punkt ist die Einsparung auch nicht mehr lohnend, da andere Faktoren die Frachtmenge bestimmen wie das Gewicht der Nahrung, ihre Verpackung, die Ersatzteile. Deutlich wird dies auch an den ISS Systemen:
Reduktion des Wasserverbrauchs um 65%: 2.850 kg eingespart
Sabatierprozess: 900 kg/Jahr eingespart
Aufspaltung des Methans in Kohlenstoff und Wasserstoff, Rückführung in den Sabatierprozess: 900 kg/Jahr eingespart.
Die NASA gab z.B. an, ihr Frachtaufkommen teilt sich auf in 8.750 kg Güter, 1.100 l Wasser und 300 kg Gase. Das bedeutet, dass Wasser und Gase nur noch 14% der Gesamtfracht ausmachen.
Es gibt von mir vier Bücher zum Thema bemannte Raumfahrt. Alle Bücher beschäftigen vor allem mit der Technik, die Missionen kommen nicht zu kurz, stehen aber nicht wie bei anderen Büchern über bemannte Raumfahrt im Vordergrund.
Mein erstes Buch,
Das Gemini Programm: Technik und Geschichte
Mein zweites Buch,
Das ATV und die Versorgung der ISS: Die Versorgungssysteme der Raumstation
Das Buch
Die ISS: Geschichte und Technik der Internationalen Raumstation
Durch die Beschränkung auf den Technischen und geschichtlichen Aspekt ist ein Buch entstanden, das kompakt und trotzdem kompetent über die ISS informiert und einen preiswerten Einstieg in die Materie. Zusammen mit dem Buch über das ATV gewinnt der Leser einen guten Überblick über die heutige Situation der ISS vor allem im Hinblick auf die noch offene Versorgungsproblematik.
Das bisher letzte Buch
Skylab: Amerikas einzige Raumstation
Mehr über diese und andere Bücher von mir zum Thema Raumfahrt finden sie auf der Website Raumfahrtbücher.de. Dort werden sie auch über Neuerscheinungen informiert
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