Bei astronautischen Raumfahrtmissionen sind wir Menschen auf Systeme angewiesen, die den Lebensraum ähnlich einem irdischen Ökosystem künstlich erzeugen: so genannte Lebenserhaltungssysteme. Die bisher eingesetzten Systeme verwenden chemische und physikalische Prozesse, um zum Beispiel Wasser zu reinigen und es elektrolytisch in Sauerstoff umzuwandeln. Ziel dabei ist es, möglichst viele Ressourcen wieder zu verwenden, um die Versorgung mit Nachschub zu minimieren und möglichst autark zu sein.
Hybrid-Systeme ermöglichen Langzeitmissionen
Besonders für Langzeitmissionen - etwa auf Raumstationen oder bei Missionen zum Mars - ist es wichtig, diese Lebenserhaltungssysteme so zu optimieren, dass sie unabhängig von außen werden. Eine erweiterte chemisch-physikalische Technologie wird mit dem Advanced Closed Loop System (ACLS) auf der ISS umgesetzt. Hierbei wird ein Teil des Kohlenstoffdioxids aus der Kabinenluft mit Wasserstoff, der aus der Aufspaltung von Wasser entstanden ist, zu Methan und Wasser umgewandelt. Das Wasser, das in diesem so genannten Sabatier-Prozess entsteht, wird dann wieder dem Elektrolyseprozess zur Sauerstoffgewinnung zugeführt. Dies erhöht die Effizienz des Gesamtsystems und vermindert den Bedarf an Nachschub von der Erde.
Da bei diesem Prozess nicht das gesamte Kohlenstoffdioxid aus der Atemluft für die Wassergewinnung genutzt werden kann, wird dieses chemisch-physikalische Lebenserhaltungssystem nunmehr ergänzt: Das ACLS wird mit einem neuartigen biologischen System, einem Photobioreaktor, gekoppelt. Insgesamt entsteht so ein Hybrid-System. Bei diesem neuen Ansatz wird das restliche Kohlenstoffdioxid in Sauerstoff umgewandelt und wieder der Kabinenluft zugeführt. Dadurch gewinnt das Lebenserhaltungssystem nochmals deutlich an Autonomie.
Damit Astronauten im Weltall überleben können, müssen alle Ressourcen bereitstehen, die zum Leben nötig sind. Herkömmliche Lebenserhaltungssysteme verwenden hierzu physikalisch-chemische Prozesse und sind auf regelmäßige Nachschublieferungen angewiesen. Weil die Astronauten bei großen Explorationsmissionen jedoch nicht unbegrenzt Vorräte mitführen können, muss der Ressourcenkreislauf geschlossen werden.
Das Lebenserhaltungssystem PBR (Photobioreaktor) auf der ISS
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Das Lebenserhaltungssystem PBR (Photobioreaktor) auf der ISS
Damit Astronauten im Weltall überleben können, müssen alle Ressourcen bereitstehen, die zum Leben nötig sind. Herkömmliche Lebenserhaltungssysteme verwenden hierzu physikalisch-chemische Prozesse und sind auf regelmäßige Nachschublieferungen angewiesen. Weil die Astronauten bei großen Explorationsmissionen jedoch nicht unbegrenzt Vorräte mitführen können, muss der Ressourcenkreislauf geschlossen werden.
Den Photobioreaktor haben Forscher des Instituts für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart entwickelt. In ihm wandeln Algen Kohlenstoffdioxid über Photosynthese in Biomasse und Sauerstoff um. Algen eigenen sich dafür besonders gut, da sie auf relativ kleinem Raum viel Kohlenstoffdioxid umsetzen und selbst sogar als Nahrung geeignet sind.
Test eines Labormodells der Hardware für das PBR@LSR-Experiment
An einem Labormodell wird die Hardware des PBR@LSR-Experiment getestet. Im Vordergrund sieht man grün schimmernd den mit Algen befüllten Reaktor. Im Hintergrund simulieren die blauen und roten LEDs das Sonnenlicht, welches das zur Durchführung der Photosynthese notwendig ist.
Für das Experiment PBR@LSR (Photobioreaktor am Life Support Rack) wurde die sehr robuste Algenspezies Chlorella vulgaris ausgewählt. Auf einem Parabelflug des DLR konnten die Wissenschaftler den PBR@LSR bereits testen. Die Anlage wurde anschließend für einen Einsatz auf der Internationalen Raumstation ISS weiterentwickelt.
Das ACLS wurde im September 2018 im japanischen HTV-Frachter (H-II Transfer Vehicle) von einer H2-Trägerrakete vom japanischen Raumfahrtzentrum Tanegashima aus zur ISS transportiert und dort im amerikanischen Destiny-Labor installiert werden. Der Photobioreaktor wird im Mai 2019 mit einem Dragon-Raumtransporter zur Raumstation fliegen. Danach soll der Photobioreaktor an das ACLS angeschlossen werden und seine Arbeit im Orbit vorerst für ein halbes Jahr aufnehmen. Dabei werden wichtige Daten zur Funktionsweise und der Qualität der produzierten Gase aufgezeichnet.
Das ACLS wird von Airbus Defence and Space in Friedrichshafen im Auftrag der ESA entwickelt. Der Konzern ist ebenfalls verantwortlich für die Entwicklung des PBR@LSR, welches von der Deutschen Raumfahrtagentur gefördert wird. Die wissenschaftliche Betreuung obliegt dem IRS der Universität Stuttgart.
