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Dieser Artikel soll die Chemie und Technik von Lebenserhaltungssystemen in Raumfahrzeugen beleuchten. Dabei sollen auch die Stoffbilanzen untersucht werden um die den Verbrauch an Wasser, Gasen und Nahrung für eine längere Mission, z..B. eine Marsmission abschätzen zu können.
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. Dabei wird Sauerstoff verbraucht.
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. Dasselbe gilt für das Space Shuttle das ebenfalls Lithiumhxdroxidkanaster einsetzte, die von der Besatzung regelmäßig erneuert werden mussten.
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. Dazu wird das Wassser vorher auskondensiert, z.B. indem man die Luft über gekühlte Metallplatten leitet. Bei gleicher Luftfeuchtigkeit kann die Luft dann weniger Wasser halten und wenn sie wieder erwärmt wird sinkt der relative Wassergehalt ab, da sie bei höherer Temperatur mehr Wasserdampf aufnehmen kann. Die trockene Luft muss später wieder befeuchtet werden. Das war anfangs problematisch und führt zu einer zu trockenen "gespannten" Atmosphäre.
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 Druckgastanks, 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. Wenn es verflüssigt wird kann es auch für ein chemisches Triebwerk genutzt werden, allerdings braucht man zur Verbrennung Sauerstoff. 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 |
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Oxidationswasser (entsteht beim Stoffwechsel) |
|
+300 g |
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Ausgeatmetes Wasser |
-700 g |
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Urin |
-1500 g |
|
|
Kot (Wasseranteil) |
-100 g |
|
Nahrung (trocken) |
|
+400 g |
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|
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 jährliches 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.
Neben den Hauptgasen Sauerstoff (Verbrauch) und Kohlendioxyd (Erzeugung) muss man sich auch um andere Gase kümmern. Der Mensch emittiert eine Reihe von Gasen. So durch die bakterielle Zersetzung von Schweiß aber auch als Abfallprodukt der Verdauung. (ebenfalls von Bakterien verursacht) Dies sind Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Methan und organische Verbindungen dieser (niedrige Amine, Sulfide und Kohlenwasserstoffe). Diese Verbindungen sind schon in geringen Konzentrationen toxisch und unterhalb dieser Schwelle beeinträchtigen sie vor allem die intellektuelle Leistung. Vor allem niedrige Kohlenwasserstoffe können die Blut-Hirngrenze passieren und die Nervenleitung beeinträchtigen. Sie sind für die berühmte "Dicke Luft" in Räumen verantwortlich in denen sich viele Personen aufhalten. Typische Symptome einer Beeinträchtigung sind Kopfschmerzen, Müdigkeit, abnehmende Konzentrationsfähigkeit. Dies ist natürlich nicht erwünscht, die Astronauten haben ja ein dicht gepacktes Arbeitspensum und Fehler können gefährlich sein.
Derartige Substanzen kann man leicht durch Aktivkohle binden. Aktivkohle ist Kohle mit einer sehr großen Oberfläche, sie wird bei dem chemischen Zersetzen oder der trockenen Destillation von organischem Material wie Pflanzenmaterial gewonnen. Dabei geben die organischen Moleküle Sauerstoff und Wasserstoff in form von Wasser ab, das Kohlenstoffskelett bleibt aber erhalten und sorgt für die große Oberfläche. An ihr werden die Gase physikalisch gebunden. Der Filter kann dann wie Lithiumhydroxidkanister gewechselt werden, wobei wegen der kleinen Menge an Gase man eine viel kleinere Menge benötigt, er kann aber auch wieder regeneriert werden. Dafür wird die Aktivkohle bei Weltraummissionen meistens dem Vakuum ausgesetzt und erhitzt, die gebundenen Stoffe verdampfen und werden ins Weltall abgegeben.
Ganz am Anfang ist man noch bei der Regeneration von Nahrungsmitteln. Bei den Kurzeitaufenthalten von Mercury die maximal einen Tag dauerten gab es noch Konzentrate in Tuben, etwas was bis heute mit "Weltraum Nahrung" verbunden wird. Schon bei Gemini wurde das bis heute verwendete System eingeführt das die meiste Nahrung entweder von sich aus haltbar war wie Kekse, Chips, Nüsse (Lebensmittel mit geringem Wassergehalt oder in Konserven wie Wurst) oder gefriergetrocknet wurde. Dazu wird den Lebensmittel schonend das Wasser entzogen indem sie in einem Vakuum getrocknet werden. Durch den geringen Luftdruck verdampft das Wasser sofort ohne das man das Lebensmittel erhitzen muss. Dies ist die bis heute schonendste Behandlung der Konservierung mit Ausnahme des Tiefgefrierens. Für die Zubereitung wird eine definierte Menge an Wasser (meist mit einer Dosierpistole in Mengen eines vielfachen einer Unze (ca. 29 g oder 29 ml Wasser) versetzt und dann in einem geschlossenen Beutel durchgeknetet dass sich das Wasser auch gleichmäßig verteilt. So wird bei kalten wie warmen Speisen verfahren (bei warmen dnn mit heißem Wasser). Skylab führte dann noch als Ergänzung tiefgefrorene Lebensmittel ein die man wie bei uns vor der Zubereitung und erwärmen auftauen muss. Dies macht man vor allem bei Lebensmitteln die beim Gefriertrocknen sonst zu viel Geschmack verlieren würden.
Frische, leicht verderbliche Lebensmittel wie Obst gibt es nur wenn ein Versorger anlegt. Sämtliche Nahrung ist vorbereitet um die wertvolle Arbeitszeit von Astronauten zu sparen und muss nur erwärmt oder gegessen werden. Es wird im All nicht gekocht und es gibt daher nur einen Ofen zum Aufwärmen von tiefgefrorenen Portionen. Es sind im Normalfall behandelte Lebensmittel, selbst wenn sie an sich schon haltbar sind wie Kekse. Dann muss aber der Schwerelosigkeit Rechnung getragen werden. So erhalten Kekse einen dünnen Überzug aus Gelatine oder Fett der das Krümeln und Zerbrechen minimieren soll.
Entzieht man den Lebensmitteln Wasser so bleiben nur die Nährstoffe übrig und die Menge die ein Mensch pro Tag verbraucht, wird überschaubar. Bei 2500 Kalorien (10.500 kJ) sind es bei offizieller Empfehlung folgende Mengen:
Dazu kämen noch Ballaststoffe, Mineralstoffe und chemisch gebundenes Wasser das nicht durch Trocknung entfernbar ist. In der Summe sind dies 600 g pro Tag oder bei der ISS-Stammbesatzung 1314 kg pro Jahr, also erheblich mehr als Wasser verbraucht wird. Dazu kommt, dass diese optimistische Rechnung nur gilt wenn alles Essen gefriergetrocknet ist, was aber nicht der Fall ist und man noch die Verpackung hinzurechnen muss.
Trotz dieses Handicaps ist nicht damit zu rechnen, dass man im All Lebensmittel anbauen wird. Es gab schon Versuche Pflanzen im All aufzuziehen, doch selbst wenn diese gelingen so stellt sich selbst bei einer Marsmission die Frage, ob sich dies lohnt. Pflanzen nutzen das Licht relativ schlecht aus. Den Rekord hält Riesen-Chinaschilf mit Hektarerträgen von 25.000 kg und einer Biosyntheserate von 2,5 g Trockenmasse pro Megajoule absorbierter Strahlung. (Effizienz: 4,3%). Nimmt man an wir würden bei Weizen dieselben Erträge erreichen und 50% der Pflanzenmasse wären die Weizenkörner so bräuchte man pro Besatzungsmitglied und drei Vegetationsperioden pro Jahr eine Fläche von 35 m² um den Weizen anzubauen. Eine 10 cm dicke Glaswolle/Wasserschicht als Substrat würde dann schon 4.200 kg wiegen. Der Weizen müsste dann aber noch geerntet werden (vom Stroh entfernt, anschließend alle alten Pflanzen aus dem Substrat entfernen und neu aussähen) entspelzt (von der Samenhülle getrennt werden) , gehmahlen werden und zuletzt ein Teig mit Hefe, Wasser und salz angefertigt werden der dann nach einer Ruhezeit gebacken werden kann. Selbst wenn die Besatzung sich wie in diesem Falle nur von Vollkornbrot ernähren würde benötigt man also eine große Fläche und mindestens drei weitere Maschinen. Dazu wäre mindestens eine Arbeitskraft nur mit der Nahrungsherstellung beschäftigt. Bei Gemüse und Obst sieht die Effizienzbilanz noch schlechter aus, da man noch mehr Fläche benötigt. Fleisch und komplexere Lebensmittel mit mehr als einer oder zwei Zutaten sind so überhaupt nicht kultivierbar. Die Eigenversorgung erscheint nach heutigem Stand der Technik nur möglich wenn die Besatzung sich von Algen ernähren würde. Die kann man relativ einfach in Wasserbassins züchten. Sie wachsen schnell und können direkt verzehrt werden.
Für alle anderen Lebensmittel ist es unsinnig diese im All zu züchten, denn alleine die Masse des Boden-Ersatzes beträgt pro Person 4.200 kg, der jährliche Bedarf an Lebensmitteln (ohne Verpackung, nur gefriergetrocknete Ware) dagegen nur rund 220 kg. Was sicher kommen wird ist das man Kräuter zur Verfeinerung im All zieht oder kleine Pflanzen wie Walderdbeeren oder Heidelbeeren. Der Sinn dieser Maßnahmen ist auch mehr psychologisch: dies erhöht die Motivation der Besatzung und lindert etwas das "Heimweh" nach der Erde.
Es gibt ein weiteres Problem: Je Pflanze produziert auch Abfall. Bei Weizen sind es die Spelzen, der Halm und die Wurzeln. In ihnen ist Wasser und Kohlendioxid chemisch gebunden in Form von Kohlenhydraten oder Liganen. Damit entziehen sie idem Kreislauf Wasser und Sauerstoff. (Letzterer wird aus dem Kohlendioxid zurückgewonnen). Dadurch steigt die benötigte Wassermenge und Sauerstoffmenge an und der Selbstanbau wird weitaus weniger lohnend. Man kann diese Abfälle kompostieren und so wieder Kohlendioxid freisetzen, das Wasser wird in der Biomasse gebunden werden und müsste durch erhitzen des Kompostes freigesetzt werden. Dann jedoch braucht man noch zwei weitere anlagen für die Kompostierung und thermischen Sterilisation des Komposts. Ein Rest an Kompost, der entsorgt werden muss bleibt aber in jedem Falle.
Zuletzt ist man davon abhängig dass der Anbau klappt. Scheitert er, oder sinken die Erträge, z.B. weil eine Pflanzenkrankheit sich ausbreitet so ist die Besatzung in Lebensgefahr. Bei einer Marsexpedition müsste der Anbau zudem sowohl im Orbit wie auch auf der Marsoberfläche durchgeführt werden und unterstak wechselnden Lichtverhältnissen (beim Mars kommt nur die Hälfte der Sonnenstrahlung an die die Erde erhält)
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.
Das erste bemannte Raumfahrtprogramm der USA, das Mercuryprogramm begann schon vor Gründung der NASA und jährt sich 2018 zum 60-sten Mal. Das war für mich der Anlass, ein umfangreiches (368 Seiten) langes Buch zu schreiben, das alle Aspekte dieses Programms abdeckt. Der Bogen ist daher breit gestreut. Es beginnt mit der Geschichte der bemannten Raumfahrt in den USA nach dem Zweiten Weltkrieg. Es kommt dann eine ausführliche technische Beschreibung des Raumschiffs (vor 1962: Kapsel). Dem schließt sich ein analoges Kapitel über die Technik der eingesetzten Träger Redstone, Little Joe und Atlas an. Ein Blick auf Wostok und ein Vergleich Mercury bildet das dritte Kapitel. Der menschliche Faktor - die Astronautenauswahl, das Training aber auch das Schicksal nach den Mercurymissionen bildet das fünfte Kapitel. Das sechs befasst sich mit der Infrastruktur wie Mercurykontrollzentrum, Tracking-Netzwerk und Trainern. Das umfangreichste Kapitel, das fast ein Drittel des Buchs ausmacht sind natürlich die Missionsbeschreibungen. Abgeschlossen wird das Buch durch eine Nachbetrachtung und einen Vergleich mit dem laufenden CCDev Programm. Dazu kommt wie in jedem meiner Bücher ein Abkürzungsverzeichnis, Literaturverzeichnis und empfehlenswerte Literatur. Mit 368 Seiten, rund 50 Tabellen und 120 Abbildungen ist es das bisher umfangreichste Buch von mir über bemannte Raumfahrt.
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.
Die zweite Auflage ist rund 80 Seiten dicker als die erste und enthält eine kurze Geschichte der Raumstationen, die wesentlichen Ereignisse von 2010 bis 2015, eine eingehendere Diskussion über die Forschung und Sinn und Zweck der Raumstation sowie ein ausführliches Kapitel über die Versorgungsraumschiffe zusätzlich.
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. Die Bücher kann man auch direkt beim Verlag bestellen. Der Versand ist kostenlos und wenn sie dies tun erhält der Autor auch noch eine etwas höhere Marge. Sie erhalten dort auch die jeweils aktuelle Version, Bei Amazon und Co tummeln sich auch die Vorauflagen.
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