سامانه‌های پشتیبانی زیستی حلقه‌بسته چگونه بقای فضانوردان را در مأموریت‌های طولانی ممکن می‌کنند؟

در اواخر ژوئن ۲۰۲۳، مهندسان ناسا اعلام کردند که فضانوردان ایستگاه فضایی بین‌المللی به یک نقطه عطف تاریخی دست یافته‌اند. آن‌ها موفق شدند ۹۸ درصد از کل آب مصرفی خود را از طریق بازیافت ادرار، عرق و رطوبت تنفس بازیابی کنند.

کریستوفر براون، از مدیران سیستم‌های پشتیبانی حیات در مرکز فضایی جانسون، این دستاورد را این‌گونه توصیف کرد: «اگر با ۱۰۰ پوند آب به فضا پرتاب شوید، تنها ۲ پوند از آن را از دست می‌دهید و ۹۸ درصد بقیه مدام در چرخه باقی می‌ماند.»

در فضا، هر قطره آب ارزشی نجومی دارد. ارسال هر لیتر آب از زمین به مدار پایین، هزاران دلار هزینه در بر دارد و برای مأموریت‌های اعماق فضا، این کار عملاً غیرممکن است.[2][3]

در مأموریت‌های اولیه مانند آپولو، سیستم‌ها یک‌بارمصرف بودند؛ آب در مخازن ذخیره می‌شد و پساب‌ها به بیرون تخلیه می‌شدند. اما برای سفرهای طولانی، فضاپیما باید به یک اکوسیستم بسته تبدیل شود.

این تغییر پارادایم از «تأمین مداوم» به «بازیافت کامل»، نیازمند ماشین‌آلاتی است که بتوانند عملکردهای طبیعی زمین را در محیطی به اندازه یک اتوبوس شبیه‌سازی کنند.[4]

معماری سامانه کنترل محیطی (ECLSS)

سامانه کنترل محیطی و پشتیبانی حیات (ECLSS)، شبکه‌ای پیچیده از سخت‌افزارهای به‌هم‌پیوسته است که وظیفه زنده نگه‌داشتن فضانوردان را بر عهده دارد. این سیستم فشار هوا، سطح اکسیژن، دما و تأمین آب را مدیریت می‌کند.

این معماری به دو بخش اصلی تقسیم می‌شود: سامانه بازیابی آب (WRS) و سامانه احیای هوا (ARS). این دو بخش به صورت مجزا کار نمی‌کنند، بلکه خروجی یکی، ورودی دیگری را تأمین می‌کند.[4]

به عنوان مثال، آبی که از رطوبت هوا جمع‌آوری می‌شود، برای تولید اکسیژن به کار می‌رود و دی‌اکسید کربنی که از هوا تصفیه می‌شود، در فرآیندی دیگر برای تولید آب استفاده می‌گردد.[1]

این تجهیزات عمدتاً در ماژول آزمایشگاهی «دستینی» آمریکا و ماژول خدماتی «زوزدا» روسیه مستقر هستند. هر دو آژانس فضایی سیستم‌های مختص به خود را دارند که در کنار هم کار می‌کنند.

هدف نهایی این معماری، ایجاد یک حلقه کاملاً بسته است که در آن هیچ ماده‌ای هدر نرود، اگرچه رسیدن به بازدهی ۱۰۰ درصدی هنوز با چالش‌های فنی روبرو است.[3]

از ادرار تا آب آشامیدنی؛ مکانیسم بازیافت

قلب تپنده بازیافت مایعات، مجموعه پردازشگر ادرار (UPA) است. این دستگاه با استفاده از تقطیر در خلأ، آب را از ادرار جدا می‌کند. به دلیل نبود جاذبه، این فرآیند درون یک محفظه در حال چرخش انجام می‌شود تا مایعات و گازها از هم جدا شوند.

با این حال، UPA به تنهایی نمی‌توانست تمام آب را استخراج کند. بازدهی این سیستم در گذشته بین ۹۳ تا ۹۴ درصد بود و مابقی به شکل یک «آب‌نمک ادرار» غلیظ باقی می‌ماند که هنوز حاوی آب قابل بازیافت بود.[2]

برای حل این مشکل، ناسا دستگاه جدیدی به نام پردازشگر آب‌نمک (BPA) را به ایستگاه ارسال کرد. این ماژول به طور خاص برای استخراج آخرین قطرات آب از پسماندهای UPA طراحی شده است.[2]

دستگاه BPA آب‌نمک را از یک غشای ویژه عبور می‌دهد و سپس هوای گرم و خشک را روی آن می‌دمد. این کار باعث تبخیر آب موجود در پسماند شده و هوای مرطوبی تولید می‌کند که مشابه بازدم فضانوردان است.[2]

دستگاه‌های رطوبت‌گیر ایستگاه، این هوای مرطوب را جمع‌آوری کرده و به مجموعه پردازشگر آب (WPA) می‌فرستند. در آنجا، آب جمع‌آوری‌شده از فیلترهای متعدد و یک راکتور کاتالیزوری با دمای بالا عبور می‌کند.

حسگرهای رسانایی الکتریکی، خلوص آب را به طور مداوم بررسی می‌کنند. آبی که از این سیستم خارج می‌شود، به مراتب خالص‌تر از آب لوله‌کشی شهری روی زمین است و فضانوردان با اطمینان کامل آن را می‌نوشند.

تصفیه هوا و تولید اکسیژن

بخش احیای هوا (ARS) وظیفه دارد هوای کابین را از آلاینده‌ها پاک کند. هوای ایستگاه از بسترهای زغال فعال و هیدروکسید لیتیوم عبور می‌کند تا گازهای سمی ناشی از تجهیزات الکترونیکی و پلاستیک‌ها حذف شوند.[4]

برای حذف دی‌اکسید کربن ناشی از تنفس فضانوردان، از غربال‌های مولکولی حاوی ماده‌ای به نام زئولیت استفاده می‌شود. این فیلترها مولکول‌های گاز را بر اساس اندازه آن‌ها به دام می‌اندازند.

تأمین اکسیژن بر عهده مجموعه تولید اکسیژن (OGA) است. این دستگاه با استفاده از برق تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی، فرآیند الکترولیز را روی آب تصفیه‌شده انجام داده و آن را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌کند.

اکسیژن به داخل کابین تزریق می‌شود، اما هیدروژن دور ریخته نمی‌شود. آژانس فضایی اروپا سیستم پیشرفته‌ای به نام راکتور ساباتیر (CRA) را توسعه داده است که هیدروژن را با دی‌اکسید کربن ترکیب می‌کند.[1]

در این راکتور، واکنش شیمیایی در حضور کاتالیزور باعث تولید آب و گاز متان می‌شود. آب تولید شده دوباره به چرخه بازمی‌گردد تا اکسیژن بیشتری بسازد و تنها متان به فضای بیرون تخلیه می‌شود.[1]

چالش‌ها و محدودیت‌های فعلی

با وجود این دستاوردهای خیره‌کننده، سیستم‌های پشتیبانی حیات هنوز به حلقه کاملاً بسته نرسیده‌اند. آن ۲ درصد آبی که بازیافت نمی‌شود، به دلایل مختلفی از چرخه خارج می‌گردد.[3]

بخشی از این هدررفت ناشی از تبخیر آب در هنگام استفاده از هوابندها برای راهپیمایی‌های فضایی است. بخش دیگری نیز در پسماندهای جامد غیرقابل پردازش باقی می‌ماند یا در آزمایش‌های علمی مصرف می‌شود.[4]

چالش بزرگ دیگر، استهلاک و خرابی قطعات است. این سیستم‌ها ماشین‌های بسیار پیچیده‌ای هستند که در محیط خشن فضا کار می‌کنند. به عنوان مثال، ژنراتور اکسیژن «الکترون» روسیه بارها با نقص فنی مواجه شده است.[4]

در مدار پایین زمین، اگر قطعه‌ای خراب شود، می‌توان قطعه یدکی را با پرواز بعدی ارسال کرد. اما در سفرهای اعماق فضا، چنین امکانی وجود ندارد و سیستم‌ها باید سال‌ها بدون نیاز به تعمیر اساسی کار کنند.[3]

مهندسان در حال حاضر روی کوچک‌سازی این تجهیزات و افزایش قابلیت اطمینان آن‌ها کار می‌کنند، زیرا وزن و حجم فعلی آن‌ها برای فضاپیماهای کوچکتر مناسب نیست.[3]

آینده فناوری برای سفرهای مریخ

دستیابی به نرخ بازیافت ۹۸ درصدی، پیش‌نیاز اصلی ناسا برای مأموریت‌های سرنشین‌دار به مریخ بود. بدون این سطح از بازیافت، وزن آب مورد نیاز برای یک سفر سه‌ساله، پرتاب فضاپیما را غیرممکن می‌کرد.[3]

ایستگاه مداری «دروازه ماه» (Lunar Gateway) که قرار است در مدار ماه ساخته شود، بستر آزمایش بعدی برای این سیستم‌ها خواهد بود. در آنجا، فاصله از زمین بیشتر و امکان ارسال تدارکات بسیار محدودتر است.[1]

گام بعدی در تکامل سیستم‌های پشتیبانی حیات، ادغام فرآیندهای فیزیکی-شیمیایی با سیستم‌های زیستی است. استفاده از جلبک‌ها و گیاهان برای تولید اکسیژن و غذا، می‌تواند وابستگی به ماشین‌آلات را کاهش دهد.[4]

اگرچه هنوز تا ایجاد یک اکوسیستم کاملاً خودکفا فاصله داریم، اما فناوری‌های فعلی نشان می‌دهند که انسان دیگر تنها یک بازدیدکننده در فضا نیست. ما در حال یادگیری نحوه حمل بخش کوچکی از چرخه حیات زمین به همراه خود هستیم.[4]