Woher bekommen Astronauten außerhalb der Erde Wasser?

Vor den Urinalen in der Herrentoilette des Forschungsgebäudes des 206. Instituts der Zweiten Akademie der China Aerospace Science and Industry Corporation stehen drei Urinsammeleimer. Darauf befindet sich ein Hinweis: „Bitte kooperieren Sie bei dem wissenschaftlichen Experiment.“ Obwohl den Eimern Konservierungsmittel zugesetzt wurden, strömt der flüchtige Geruch immer noch von Zeit zu Zeit heraus und veranlasst die Menschen, sich die Nase zuzuhalten und den Atem anzuhalten.

Am 10. Mai startete das Frachtraumschiff Tianzhou-4 reibungslos. An Bord des Schiffes befanden sich Produkte wie die vom 206. Institut der Zweiten Akademie entwickelte Vorrichtung zur Kalkentfernung, eine Urinfiltervorrichtung und eine Schmierwasserbeutelvorrichtung. Bei diesen Produkten handelt es sich um Verbrauchsmaterialien des Umweltkontroll- und Lebenserhaltungssubsystems zur Urinbehandlung der Raumstation und sie werden verwendet, um das sechsmonatige Leben der Astronautenbesatzung Shenzhou 14 im Orbit sicherzustellen.

Nach dem Start des Tianhe-Kernmoduls zeigte das Urinaufbereitungssystem, das als das technisch schwierigste und komplexeste System galt, im Orbit gute Leistungen. Als die Astronautenbesatzung Shenzhou 13 ihre Mission im Orbit erfolgreich abschloss, waren insgesamt 1.700 Liter Urin verarbeitet und über 1.400 Liter destilliertes Wasser produziert worden, wodurch die Astronauten mit lebenswichtigem Recyclingwasser für ihr Leben im Orbit versorgt wurden.

Wasser kommt und geht

Die Raumstation ist eine kleine, von Menschen erbaute Welt außerhalb der Erde. Die von Raumfahrzeugen hergestellten Transportverbindungen sind sehr begrenzt. Alle Materialien für Leben im Himmel müssen einzeln und in mehreren Schritten in den Himmel transportiert werden, wie Ameisen, die umziehen. Der Mensch hat außerhalb der Erde eine ökologische Umgebung geschaffen, die der Erde ähnelt, und sein Bestes getan, um jeden Tropfen Wasser zu erhalten.

Wenn sich Astronauten weniger als einen Monat im Orbit aufhalten, ist der Bedarf an Vorräten wie Wasser relativ gering und kann vollständig vom Boden aus gedeckt werden. Chinas Raumfahrtprogramm ist in die Ära der Raumstationen eingetreten und wird mindestens zehn Jahre lang Operationen im Orbit durchführen. Es wird ein Lebenserhaltungssystem mit physikalischer und chemischer Regeneration eingerichtet, um das Recycling von Sauerstoff, Wasser und anderen Substanzen zu erreichen, wodurch die für langfristige Weltraumaktivitäten benötigten Bodenvorräte erheblich reduziert werden.

Woher bekommt die Raumstation ihr Wasser? Frachtraumschiffe transportieren regelmäßig Wassersäcke in die Luft, um den Astronauten „primitive Vorräte“ für das Überleben im Weltraum bereitzustellen.

Wie verwendet man Wasser? Es wird geschätzt, dass jeder Astronaut täglich 2,5 Liter Wasser trinken muss. Darüber hinaus muss in der Raumstation auch Sauerstoff durch Elektrolyse von Wasser bereitgestellt werden, um den Sauerstoffbedarf der Astronauten zu decken.

Wie erreicht man eine Wasserzirkulation? Astronauten scheiden Wasser über den Körperstoffwechsel in Form von Urin, Schweiß und Wasserdampf aus, wobei der Urin den größten Anteil daran hat.

Das durch den menschlichen Stoffwechsel erzeugte Wasser wird durch die Wasseraufbereitungs- und Urinaufbereitungs-Subsysteme in der Raumstation gereinigt, wodurch das Recycling der Wasserressourcen in der Raumstation ermöglicht wird. Derzeit liegt die Wasserrückgewinnungsrate in der Raumstation bei über 95 % und die Wassernutzungsrate bei über 83 %, was den Wasserbedarf für aufsteigende Frachtraumfahrzeuge erheblich reduziert.

„Die Spitzenleistung des Urinaufbereitungssystems beträgt 300 Watt und ist damit niedriger als die Leistung der meisten elektrischen Wasserkocher“, sagte Direktor Cui vom Space Electromechanical Research Laboratory des 206. Instituts.

Das nächste Jahrzehnt begrüßen

Das Urinverarbeitungssubsystem kann den gesammelten Urin von drei Tagen in 10 bis 12 Stunden verarbeiten, und diese Leistung ist hart erkämpft. Bei der Auseinandersetzung mit Schlüsseltechnologien führte das Team spezielle Forschungsarbeiten zur Lösung technischer Probleme bei der Urinverarbeitung durch, und das Problem der Kalziumkristallausfällung im Urin war eines dieser Probleme.

In einer schwerelosen Umgebung steigt der Kalziumverlust des Körpers. Wenn die Kalziumkonzentration im Urin seine Löslichkeit übersteigt, kristallisiert es und verstopft Wärmetauscher, Ventile, Filter und andere Produkte. Dies ist fatal für ein System, das auf dem Prinzip der Destillation und Konzentration basiert.

Um die Kalziumkristallisation im Urinaufbereitungssystem zu verhindern, arbeitete das Team mit vielen Parteien zusammen und beriet sich mit ihnen. Schließlich ließen sie sich von der Kesselwasserenthärtung inspirieren und wählten unter Anleitung von Materialexperten der Fudan-Universität in Shanghai und der Nankai-Universität in Tianjin zwei Materialien zur Entfernung von Kalzium aus. Nach dem Vergleich verschiedener Indikatoren wählten sie den besten aus. Heute kann das Urinaufbereitungssystem der Raumstation aus sechs Litern Urin fünf Liter destilliertes Wasser extrahieren, und in den konzentrierten Urinrückständen bilden sich immer noch keine Kalziumkristalle.

„Wissenschaftliche Forschung wird nie reibungslos verlaufen.“ Direktor Cui sagte, dass die regenerative Umweltkontrolle und Lebenserhaltung ein neuer Weg sei, den das 206 Institute im Bereich der Weltraumtechnik eröffnet habe. In den letzten zehn Jahren hat das Team Berge durchschnitten, Brücken über Flüsse gebaut und eine Schlüsseltechnologie nach der anderen gemeistert. Da sich dem Team immer mehr junge Leute anschließen, bleibt die Atmosphäre im Team stets lebendig und es kann schließlich dieses „Langstreckenrennen“ erfolgreich absolvieren.

Bei der Entwicklung des Urinbehandlungssystems wurde der Gedanke der Luft- und Raumfahrtsystemtechnik umgesetzt. Während des Entwicklungsprozesses besteht das System nicht auf der Leistung einzelner Indikatoren und einzelner Maschinenprodukte, sondern optimiert die Abstimmung jeder einzelnen Maschine, Komponente und jedes Systems, um das System zu optimieren und seine Effizienz zu maximieren.

Das Subsystem zur Urinbehandlung muss über 10 Jahre im Orbit betrieben werden. Aus diesem Grund wurde die im Orbit austauschbare Einheit (ORU) zu Beginn der Entwicklung entsprechend den Lebensdauer- und Zuverlässigkeitsindikatoren des Produkts für die Wartung im Orbit und den Austausch durch Astronauten unterteilt. Die zu ersetzenden Verbrauchsmaterialien werden regelmäßig durch Frachtraumschiffe aufgefüllt. Direktor Cui stellte vor: „Es ist wie bei der Autowartung. Öl, Filter, Batterie, Reifen usw. werden entsprechend der Kilometerleistung ausgetauscht.“

Das anschließend zu startende Wentian-Labormodul wird zudem mit einem Urinverarbeitungs-Subsystem ausgestattet und der Raumstationskomplex wird in die Ära der „Doppelniere“ eintreten. Direktor Cui sagte: „Es dauert zehn Jahre, ein Schwert zu schärfen. Wenn das Projekt erfolgreich ist, sind alle Rückschläge, Schmerzen und Anstrengungen, die wir zuvor erlebt haben, es wert.“