化学生命支持

这是2083年和宇航员一起蜷缩在他们推出胶囊,伸长得到地球的旧貌。他们的每一次呼吸消耗宝贵的氧气和二氧化碳产生窒息;每个厕所之旅增添了负担,浪费自己狭窄的空间里,看到更珍贵的水消失了。每一口食物耗尽的供应。进一步的从地球的安全,并进一步向薄,有毒的火星大气层,宇航员们面临着惊人的意识到,他们再也没有要吃一个苹果,喝淡水或深呼吸non-recycled空气。

然而这些宇航员必须能够度过三年的旅程和一个新的生命在另一个星球上。他们将和生存。他们会吃,呼吸,汗,洗,大便。他们甚至会有一些新鲜食品。

的技术将用于未来的太空飞行在地球实验室已经被开发。是不足为奇的技术用来保持宇航员活着依赖化学:过滤器、水净化膜,微反应器和gas-capturing技术。

这些技术也正在测试在实验室我们最遥远未来的长途太空飞行:登上国际空间站(ISS),在地球表面400公里高的太空。但国际空间站有一个明显的优势在未来月球基地或火星任务,因为即使国际空间站回收的水、空气和垃圾总有选择距离地球补给。

但没有一滴可以喝的

虽然有些水是进行国际空间站(以巨大的代价),大多数的宇航员的供应来自回收他们的汗水、尿液和洗涤水。为此,化学家的老朋友蒸馏和过滤。但即使是这些事情变得更加复杂空间:宇航员的汗水和尿不是和其他人的一样。在太空中,我们将从我们的骨骼钙比我们当骨头的压力下重力。开发的水净化系统在地球上包括硫酸——杀死微生物——在空间和额外的钙结合使硫酸钙。这个沉淀,堵塞蒸馏和过滤设备,使系统效率不及测试时在地上。说,“你不能总是期望一切Darrell Jan振兴研究员美国宇航局艾姆斯研究中心在加州,美国。美国国家航空航天局的研究人员正在努力调整净化添加剂是否额外的钙可以工作。

当然,水并不是唯一的生命。在艾姆斯,研究人员也在寻找宇航员呼吸的空气和固体废物围绕着他们。许多宇航员的生活是像我们这样的,有很多的塑料和食品浪费。垃圾不仅占用宝贵的空间在一个拥挤的宇宙飞船,它还包含的项目可能成为危险如果留在本包。“如果你存储厨房垃圾不三年它会发霉的,它会发臭。1月说这将是一个风险,但在空间、食物垃圾,塑料包装和一般垃圾进入垃圾箱是一种至关重要的资源。简是一个团队的一部分,旨在回收这种浪费有用的。艾姆斯团队正在开发一种热熔压实机,浪费在和塑料瓷砖可以用作辐射盾牌上的宇宙飞船。

压缩机将条有用的水的浪费——包括食物、湿巾和胶带,通过加热收集垃圾和沸腾的水,这一过程也杀死任何潜在的微生物。进一步加热杀菌混合物,然后剩下的塑料融化和压实。在加热期间,不同的挥发性化合物释放,包括醛、酮、呋喃、醇类、脂肪族碳氢化合物、芳烃和硫化物。任何碳氢化合物的混合物中使用铂催化剂氧化,然后经过一个吸附床,让这些挥发物在客舱内的水平降到最低。

夯实的塑料块,出来有大量的氢,这是一个奖金,他们注定要被用作辐射盾牌和氢不会产生任何二次辐射。目前正在调整在微重力工作,系统显示承诺作为一个有用的方法来处理垃圾的空间,即使它看起来笨重,火星任务不重要。热熔压实机是100公斤。如果我们救了200公斤的水,这是一个净+,”简说。

净化空气

机舱内的空气也是回收的主要焦点。“想象例子来自己一个房间,”约翰·霍根说另一个Nasa艾姆斯air-revitalisation研究员。二氧化碳含量的增加非常迅速和氧气耗尽。因为人类的需要呼吸;这是唯一的方法让氧气进入血液和心脏泵。但呼吸是一个化学反应:我们呼吸的氧气用于葡萄糖在体内转化成能量,ATP的形式,呼吸二氧化碳和水。水会有用,但二氧化碳的什么?我们希望得到氧气,二氧化碳,”霍根说。

我们总是寻找分子会的地方

在国际空间站,宇航员可以安心由于分子筛有四个隔间,或床上,使气体。其中两个是干燥剂,另外两个是沸石吸收水和二氧化碳。二氧化碳将会通过一个催化体系、Sabatier反应后,与氢反应在催化剂的作用下使甲烷和氧气。氧气是立即有用,但目前的甲烷排放空间。

但对于一个月球基地,或者火星之旅,这是非常浪费的。我们一直寻找的分子要去哪里,”霍根说。我们真的不想失去任何分子。“每个人每天生产一公斤的二氧化碳,霍根说,4名机组人员产生4公斤的二氧化碳每一天。这是大量的材料和大量的碳,”他说。科学家们正在疯狂地锻炼如何利用这个资源,并在未来,如何利用火星大气的二氧化碳的96%。

令人窒息的二氧化碳首先需要捕获,借贷技术在地球上碳捕获和储存:有机框架(mof)和多孔协调框架。在地球上碳捕获应用程序中,财政部一直在看着他们惊人的能力持有大量的气体在他们令人难以置信的巨大的内表面积,锁定它,直到永远。但美国宇航局艾姆斯研究中心的研究人员和波多黎各大学的一直在关注不同的财政部,不仅吸收二氧化碳,还能释放一次。添加一个新维度的发展这些多孔材料。“许多吸附剂材料显示特殊有限公司₂存储容量,但不是很多有能力提供所需数量的气体和不需要的能量输入,”说阿图罗Hernandez-Maldonado波多黎各大学的,他是财政部团队的一部分。

财政部已经创造了一个新基准的设计有效的吸附剂。我认为有一个非常好的机会,我们可能会在不久的将来,这些材料在空间小屋”Hernandez-Maldonado说。团队已经表明,铜与pyrazinedicarboxylate mof, 2-di关于环和1——(4-pyridyl)乙烯组能够吸收和释放二氧化碳在适度的压力——任何天基系统的另一个重要因素。

我们可以re-envision生命周期的碳

一旦收集二氧化碳,它可以被处理,再次使用Sabatier反应。由此产生的甲烷可以进一步的治疗更氢或炭给更大的碳基单体,甚至聚合物。然后谎言有诱人的可能性,“浪费”二氧化碳可以变成生物塑料,用于一枚空间3 d打印机为宇航员提供资源,让他们意外可能需要维修的东西或者有用的产品。化学家的想象力可以运行野生这里——即使药物在空间——如果可以处理甲烷提供化学有机合成的构建块。我们可以re-envision的生命周期碳,”杰夫•李说另一个艾姆斯的团队成员。

生物的偏见

用甲烷和二氧化碳的另一种方法是为藻类营养可以用来喂养船员。和藻类的力量正在利用在欧洲一个雄心勃勃的项目,即看宇航员生命支持系统作为一个整体。的梅丽莎(micro-ecological生命支持系统)项目是完全维持生命的模块化系统,适应任何太空环境中,一艘宇宙飞船,火星或月球。项目是由欧洲航天局和已经持续了25年了,根据梅丽莎的项目负责人Christophe Lasseur为基础的欧洲太空研究与技术中心,位于荷兰。“他们的想法是,欧洲应该很好地定位为未来的国际空间站的太空任务后,“Lasseur说。

人类在太空需要大约5公斤的代谢需求,食物和水,每人每天根据Lasseur。“这真的意味着生存,”他补充说:不洗,不奢侈。添加这些数字的三年火星之旅给你答案吨,Lasseur说。梅丽莎有很多相似之处有很多正在进行的研究对未来空间前哨,生物系统,转向寻求灵感。梅丽莎的技术重点是生物反应器,利用光合微生物将二氧化碳转化为氧气。

梅丽莎项目是使用化学工程方法,东西Claude-Gilles Dussap在法国克莱蒙费朗大学Blaise Pascal,法国,开创了。“火星和月球一样没有约束的航班上的物理和质量,所以你必须开发一个通用的方法,”他说。闭环系统,必须仔细平衡输入和输出都是音乐的耳朵化学工程师像Dussap也接受了生物学。对于任何生命维持系统,化学只能到目前为止,他说。”你不能单独生产粮食的化学方法,你必须使用生物学,”他说。

梅丽莎系统将有五个隔间,一个试验工厂正在开发的大学在西班牙巴塞罗那自治大学。第一次舱需要食物和人力浪费和利用嗜热厌氧细菌咀嚼它,生产液化挥发性脂肪酸和气态的二氧化碳(稍后将使用循环)+铵。第二间是由聚光细菌填充Rhodospirillum石摆脱那些脂肪酸和离开只是矿物质和铵。这些被送入车厢三,硝化细菌将成铵硝酸盐,作为饲料的植物。

芝麻菜

这就是梅丽莎第四室——食物。一半的隔间是富含蛋白质的蓝藻生长螺旋藻,以二氧化碳为食,矿物质和硝酸盐来自前面的隔间。虽然蛋白质是人类饮食的一个重要组成部分,对未来的宇航员来说,好消息是,另一半室四个本质上是一个温室种植植物来吃。不是因为这些宇航员的饮食螺旋藻,梅丽莎将生菜,小麦、大米、土豆、番茄和其他食物。这个舱也是是制造氧气的地方,从光合细菌。

最后,完成循环,船员将占据了第五个也是最后一个隔间。本节还不适合人类居住,但一个近似老鼠在哪里快乐地生活在一个较小的版本与air-recycling启动和运行系统。Lasseur说,老鼠非常舒适的自己的呼吸循环呼吸。老鼠是很好治疗,一切都是根据欧洲伦理规则,”他说。他们只有抱怨当没有互联网连接,”他开玩笑说。老鼠的栖息地是密封和连接到photobioreactor, Lasseur说光合细菌将二氧化碳转换为氧气,这是美联储的动物。一个系统的过滤器和列去除污染物。

这种模块化的系统链接的隔间,允许将梅丽莎-理论上应用于一系列场景,根据Dussap。先前的方法生命支持系统已经“更像一门艺术”,他说,希望,如果正确的生物系统一起放入一个封闭系统,自然会进化成一个工作系统,他说。我们不得不说“不,这是一个化学工程问题”。

梅丽莎的关键问题之一,美国宇航局团队来解决在微重力如何分离气体和液体,泡沫不沉或上升,地球上是一样的。为此,膜过滤技术是一个关键组件,Dussap说。材料需要尽可能的疏水性,防止水冷凝,也应该是非常透气型的。这只是一个例子的技术,将需要开发一个功能完备梅丽莎设置离开地面(字面意思)。

当可能发生取决于人力可以抛出这个问题,Dussap说。他希望到2020年,地球上的至少一个原型能够支持人类将做好准备。然后只要2030,思想或许会到月球或火星基地,他说。

和未来世界的宇航员进入狭窄的空间里,他们的想法可能会专注于未来的任务。因为他们把他们的最后一次呼吸新鲜的空气,他们会考虑mof的空气过滤系统?光纤被调整为细菌提供适量的光呼吸二氧化碳?他们会仔细考虑让他们喝的化学和呼吸自己的回收废水几年?似乎更有可能躺,看家里消失,最后关注的那些游客是化学的单程票让他们活着。

凯瑟琳•桑德森是一个基于科学作家在德比郡,英国

更新图形显示梅丽莎生命周期修正于2016年9月12日