За да стигнем до Марс, имаме нужда от по-добри космически тоалетни
Ако хората ще отидат на Марс или ще добиват астероиди, тогава рециклирането ще има значение. А това означава рециклиране на всичко - включително човешки отпадъци.
НАСА положи някои усилия за решаването на проблема, тъй като рециклирането е толкова важна част от изграждането на космически кораб, който може да отведе хората до Марс или където и да било другаде. Междупланетните мисии няма да могат да получат доставки от Земята. Ресурсите ще бъдат ограничени, а това означава „затваряне на цикъла“ - не можете да си позволите да изхвърлите нищо, дори и човешки кака. Всеки дизайн на космически кораб трябва да вземе това предвид.
„Трябва да започнете със система за поддържане на живота и да изградите космически кораб около нея“, казва Марк Коен, президент на Astrotecture, консултантска фирма, специализирана в космическата архитектура.
Историята дотук
Първо няколко факта за човешката кака. Здравият човек произвежда около 128 грама изпражнения на ден, или около 46,7 килограма (102 паунда) за една година, според медицинската литература. За мисия до Марс, която може да продължи две до три години, екипаж от шест души (както е посочено в Марсианецът) би генерирал 300 паунда изпражнения всеки.
В ерата на Аполон тоалетната е била найлонова торбичка, прикрепена към дупето на астронавта
В ерата на Аполон тоалетната е била найлонова торбичка, прикрепена към дупетата на астронавтите с лепило. Урината се събира с устройство, подобно на презерватив, и се отвежда в космоса. Известно - или позорно - последният полет на Меркурий през 1963 г. всъщност претърпя системни откази, тъй като торбата за събиране на урина изтече. Ясно е, че чантите не работят. Плаващите човешки отпадъци също представляват опасност за здравето, тъй като човек може да вдишва малки парченца урина или изпражнения, докато те плуват наоколо.
Влиза Дон "Доктор Флъш" Ретке, пенсиониран инженер от Hamilton Standard, сега UTC Aerospace Systems. Ретке се връща назад с НАСА; той е работил върху поддържането на живота на мисията Аполо 13. Той проектира комод, който поема отделно урина и изпражнения. Използва се засмукване - от съществено значение, тъй като при нулеви g течностите се превръщат в сфери и се носят наоколо, а твърдите отпадъци няма просто да попаднат в купата. Урината се събира в подобна на чаша контракция, докато твърдите вещества се изсмукват в контейнер и се излагат на вакуум - ефективно лиофилизирани и компресирани. "Нарекохме ги фекални банички", казва Ретке.
Вариант на неговия дизайн е на Международната космическа станция, с две големи разлики: едната е, че урината вече се обработва, за да може водата да се отстрани и използва повторно, а другата е, че новата система не замразява изпражнения. (Системата за рециклиране на МКС също така поема влагата от въздуха, което до голяма степен е потта и издишванията на астронавтите.) Що се отнася до твърдите отпадъци, по време на ерата на совалката те просто бяха върнати обратно. На МКС се съхранява в пластмасови или метални контейнери. Когато те се напълнят, астронавтите ги натоварват на използвано руско превозно средство „Прогрес“, отключват го от МКС и го оставят да падне на Земята, за да изгори в атмосферата, заедно с останалите боклуци на МКС. (Помислете за това следващия път, когато видите метеорен поток.)
Изхвърлянето на изпражнения от въздушния шлюз не е опция по няколко причини. Единият е, че всичко, изхвърлено от космическия кораб, няма да отиде много далеч без съществен тласък. Така че, ако хвърлите нещо навън, то просто ще следва вашата траектория - всички изхвърлени отпадъци ще ви следват чак до Марс. Изтласкването му би означавало нещо като отваряне на въздушна брава с все още малко въздух в нея, за да се осигури експлозивна декомпресия. Това би загубило въздух.
Тогава има този проблем с траекторията - дори ако отпадъците се отдалечат на известно разстояние, блокове от тях могат да се отклонят до различни точки около кораба, навлизайки в непредсказуеми орбити. (По време на епохата на совалката и Аполон не беше необичайно космическият кораб да срещне облаци от кристали от урина и лед, които преди това бяха обезвъздушени.) Изхвърлянето на контейнер зад космическия кораб е в резултат на това доста опасно. „Когато наближите целта си, ще направите внезапна спирка“, казва Джон У. Фишър от изследователския център на НАСА Ames, който е написал няколко статии за рециклирането на отпадъци в космоса. "Ако натиснете спирачките, това ще ви удари в задната част." Паундова торба с каквото и да било, удрящо космически кораб, който се забавя, може да събере много сила.
Вторият проблем е, че някои човешки изпражнения - сега лиофилизирани в космоса - вероятно биха се утаили обратно на кораба; при липса на значителен тласък, турдите просто ще се мотаят наоколо. Каката, която сега е в прахообразна, кристална форма, ще се качи на прозорците, казва Фишър. Това би нарушило и оптичните сензори. За разлика от птичи тор върху предното стъкло, няма начин да го изчистите.
Така че трябва да го съхранявате, казва Ретке. В ранните дни на совалката, те мислеха за охлаждане, за да предпазят бактериите от растеж. „Това отнема енергия и трябва да я подкрепите с излишна система“, казва той.
Освен това изхвърлянето на изпражнения всъщност е последното нещо, което космическите екипажи искат да направят - в него има твърде много полезни неща. Около 75 процента от нея е вода, заедно с бактерии от нашите черва и човешки клетки. Около 80 процента от твърдата маса са органични молекули, което означава съединения, съдържащи въглерод. Около една четвърт от това е бактериална биомаса, друга четвърт е протеин, друга е неразградена растителна материя (най-вече фибрите) и по-малък процент са мазнините. Органичните химикали и водата са като златото в космоса.
На Марс човешкият какач най-малкото би направил добър тор за отглеждане на храна, казва Ретке. "Бих го сложил в гъбен пластир - нека Марс се погрижи за него."
Повторно използване, рециклиране
Човешките изпражнения не са единственото нещо, което трябва да рециклирате. Хората произвеждат много боклук. Всичко това добавя сложност към проблема с рециклирането и повторната употреба. Всички машини за това трябва да са леки, тъй като извеждането на каквото и да било в орбита е скъпо, хиляди долари за килограм. Тези машини също трябва да са малки, защото в космическия модул има само толкова много място. И те трябва да работят надеждно и да бъдат лесни за поправяне, защото няма призив за помощ между Земята и Марс.
Джей Пери, водещ космически инженер за системи за контрол на околната среда и за поддържане на живота в Центъра за космически полети на Маршал на НАСА, казва, че проектирането на такива системи е сложно. Вземете например урината: отделянето на вода от урина е относително лесно на Земята, но в среда с нулева гравитация ситуацията се променя.
Например, безтегловните кости на астронавтите губят маса и плътност, тъй като върху тях няма натоварване. Ето защо настоящите астронавти на МКС имат строг режим на упражнения. Костната маса се екскретира, тъй като калцият постъпва в урината. Това поставя ограничение за това колко вода може да бъде изтеглено, тъй като в крайна сметка останалите неща са концентриран саламура, „неприятни неща за справяне“. Проучване от 2013 г. на United Technologies Aerospace Systems отбелязва, че калцият образува малки камъни в бъбреците, които могат да запушат клапаните на тоалетните.
Човешките изпражнения представляват подобни предизвикателства, както поради нулевата гравитация, така и като се разбере кои химикали искате да спестите. В допълнение има въпрос за необходимата енергия и сложността на системата, която искате да изградите. Проучването на United Technologies например отбелязва, че сегашните космически тоалетни използват машини за компресиране на каката. Това добавя сложност - вместо това изследването предлага ръчен лост, който не изисква никаква мощност (с изключение на тази, осигурена от ръката на члена на екипажа).
Въпреки че в каката има много полезни химикали, отделянето на всеки един от тях не е лесно. Химическите тоалетни и септичните ями биха били безполезни. Химическите тоалетни всъщност не работят, защото самите съединения, използвани за разграждане на отпадъците, все още ще трябва да бъдат изпратени заедно с астронавтите. Освен това ще ви трябват стотици до хиляди галони от оцветените в синьо неща за дългогодишно пътуване и по-голямата част от тях е вода - на практика ще добавите тонове вода, която ще се използва само в тоалетните, което не е t много ефективен. Септичните ями зависят от гравитацията, за да работят - и все пак трябва да съхранявате изпражненията някъде.
Ретке казва, че е предпочитал използването на естествено биоразграждане; просто позволявайки на фекалния материал (и каквото и да е друго - „менструални отпадъци, повръщане, всичко е там“) от комода да ферментира в метален съд с малко активен въглен, за да спре миризмите. Контейнерът може да отделя газ - почти всичко би било въглероден диоксид - с който скруберите на космическия кораб биха могли да се справят достатъчно добре. Той дори построи такова устройство. „Поставих го на бюрото си за няколко месеца“, казва той. - Никой не забеляза. След като астронавтите стигнат до Марс, нещата в контейнерите могат да бъдат тор. Долната страна е хранилището - томовете ще започнат да се събират.
колкото и странно да звучи, каката може да направи добра радиационна защита
Колкото и странно да звучи, каката може да осигури добра радиационна защита. В космоса има два източника на йонизиращо лъчение, които могат да навредят на астронавтите. Единият е фонът на галактическите космически лъчи (или GCR). Другото е слънчева буря, известна като „събитие от слънчеви частици“ или SPE. И двете се състоят от заредени частици, предимно протони.
Тези източници на радиация са по-малък проблем за астронавтите на МКС, тъй като те все още са в защитното магнитно поле на Земята. Но след като астронавтите напуснат това поле, SPE може да причини остра лъчева болест, докато космическите лъчи увеличават риска от рак.
Най-ефективното екраниране е твърдият водород, тъй като елементът по-лесно отклонява летящи частици. Но твърдият водород не е достъпен извън газов гигант и с течен водород е трудно да се борави, което се нуждае от високо налягане, криогенни температури или и двете. Следващото най-добро нещо е водата, в която има много водород или полиетилен. Метално екраниране като олово, което осигурява добра защита срещу гама и рентгенови лъчи, всъщност е по-лошо от липсата на екраниране изобщо, тъй като протоните удрят атомите в метала и създават каскади от други частици, създавайки още по-вредно лъчение.
Джак Милър, ядрен физик от Националната лаборатория „Лорънс Бъркли“, заедно с Майкъл Флин и Марк Коен от изследователския център на НАСА „Еймс“, проведоха експеримент, финансиран от безвъзмездна финансова помощ от НАСА, за да се види колко добре човешките отпадъци ще работят като радиационна защита. Той и колегите му не можеха да използват истински изпражнения; вместо това те използваха симулирана пу, направена от мисо, фъстъчено масло, пропилей гликол, люспи от псилиум, сол, урея и мая. Целта не беше точно да се дублират действителните химикали във фекалиите; те искаха нещо приблизително като него, което задържаше вода и поглъщаше по подобен начин радиацията и частиците.
Поставят го в лъч от частици, за да видят колко добре абсорбира енергията на летящите протони. Лъчът беше приблизително толкова енергичен, колкото частиците, които обикновено се намират в космоса. Фекалният симулатор абсорбира измеримо количество енергия и екипът установи, че дебелината има значение. Твърде тънък и проблемът се влошава по същата причина, поради която металите са лошо екранирани - космическите частици правят каскади. Те обаче успяха да изчислят, че фекален щит с дебелина около 8 до 11 инча ще намали дозата на лъчението много. Това беше добър резултат, въпреки че Милър отбеляза, че ситуацията е по-сложна.
Не забравяйте, че има два вида радиация в космическото пространство: SPE и фоновото лъчение от космическите лъчи. Космическите лъчи носят пет пъти повече енергия, отколкото SPE частиците, и те са тези, които могат да увеличат риска от рак. (Правилата на НАСА казват, че повишеният риск за астронавтите не трябва да бъде с повече от 3 процента над общата популация.) Фекалният симулатор не беше толкова добър да ги спре, но това се очакваше. „Енергията на GCR е толкова висока, че ще пробие почти всичко“, казва Милър. "Така че се опитвате да балансирате, като рискът е толкова нисък, колкото е разумно постижим."
Не можете просто да поставите изпражненията в запечатани торби или метални контейнери
Друг е въпросът, че не можете просто да поставите изпражненията в запечатани торбички или метални контейнери, тъй като CO2 и други газове, които генерират, могат да ги накарат да експлодират, отсъствайки някакъв „дишащ“ механизъм, както е във визията на Rethke за производство на тор. Така че стерилизирането на отпадъците може да е добра идея.
За целта някои предложени системи ефективно изгарят отпадъците, без кислород, процес, наречен пиролиза. Това също така позволява по-непосредствено използване на водата. Компанията Advanced Fuel Research, компания в Източен Хартфорд, Кънектикът, изследва вариация, наречена торефакция (която отнема по-малко енергия от правилната пиролиза). Отпадъците се загряват до около 550 градуса по Фаренхайт (300 градуса по Целзий). Останало е нещо компактно и сухо, предимно въглерод. В същото време той задържа много водород.
Rethke отбелязва, че един компромис с пиролиза или торефакция е какво да се прави с остатъците от въглерод. „Ако е тухла, това е едно нещо“, казва той. "Но прахът е по-твърд." Не забравяйте, че няма гравитация, така че всички частици ще се носят наоколо и биха могли да замърсят въздухозаборниците. Така че ще ви трябва някакъв начин за уплътняване на въглерода, за да го съхраните.
Човек може просто да направи всички отпадъци на тухли, казва Серио. Взимате целия боклук - опаковки за храна, човешки отпадъци, всичко - и го загрявате достатъчно, за да го разтопите на тухла. Това намалява обема и детоксикира отпадъците. Това е добре за направата на частични радиационни щитове или дори, казва Серио, тухли за марсианско (или лунно) местообитание. Serio работи с други компании, за да провери дали има начин да се изгради някакъв вид отопляемо рециклиране в самата комода. Голямото предизвикателство би било да го направите компактен и достатъчно бърз, така че да не изважда от употреба тоалетната за продължителни периоди.
Всички тези технологии за рециклиране са достатъчно обещаващи. Коен обаче изрази разочарование от начина, по който НАСА е подходила към финансирането. Коен, съ-изследовател с Милър и Рей Флин от Еймс в експериментите за радиационно екраниране, казва, че има малко развитие извън обикновените демонстранти. НАСА не планира изрично мисия на Марс - най-близкото до тях е пътна карта. „Има толкова дълбоки съкращения, че е трудно да се финансира нещо,“ казва той.
Въпреки това НАСА ще трябва да измисли нещо, ако агенцията е сериозна за излизане от земната орбита - дори и само за да се върне на Луната. „Това, което НАСА би искала, е да пуснете торба с кака в кутия - може би ще я обработите точно под комода“, казва Серио.
Rethke добави, че каквато и система да е налична, трябва да има и вградена резервираност и някакъв начин да се поправи. Естествените бактерии, отбелязва той, се справят добре с разграждането на нещата, не се нуждаят от сложни машини, за да работят, да не използват електричество и да произвеждат много полезни химикали в процеса. (Въглеродният диоксид, например, може да бъде „изгорен“ с водород, за да се получат метан и вода.) Това е една от причините той да обича естественото биоразграждане. „Всичко зависи от това колко мощност да се използва за рекултивация спрямо съхранение спрямо теглото“, казва Ретке. "Обичам да улеснявам нещата."
Поправка: Поради грешка в редактирането, думата "всеки" е отпаднала от изречението за това колко би изкарал шестима екипаж на път към Марс; всеки астронавт би произвел 300 паунда изпражнения - не 300 паунда общо. Съжаляваме за грешката.