Die Entwicklung von regenerativen und nachhaltigen Lebenserhaltungssystemen ist eine wesentliche Voraussetzung für die Realisierung von Langzeitaufenthalten des Menschen im Weltraum. Zukünftige bemannte Raumfahrtmissionen werden den niedrigen Erdorbit verlas sen und stellen aufgrund größerer Entfernung zur Erde und folglich längeren Transferzeiten im Vergleich zur Internationalen Raumstation neue Anforderungen an Betrieb und Funktionalität von Lebenserhaltungssystemen. Die aktuellen internationalen Bestrebungen reichen vom Aufbau einer Forschungsbasis auf dem Mond, über die bemannte Erkundung von erdnahen Flugobjekten wie Asteroiden bis zur ersten bemannten Marsmission. Die Minimierung des Nachschubbedarfs spielt eine zentrale Rolle zur Bewältigung dieser Herausforderungen. Dies kann durch Regeneration der lebenswichtigen Stoffe Sauerstoff, Wasser und Kohlenstoff - also die Schließung der entsprechenden Kreisläufe - erzielt werden. Aktuelle Technologien in Lebenserhaltungssystemen basieren auf physikochemischen Prozessen und ermöglichen die Regeneration von Wasser und teilweise Sauerstoff. Im nächsten Schritt soll zusätzlich die Schließung des Kohlenstoffkreislaufes betrachtet werden. Gleichzeitig müssen Maßnahmen an der Infrastruktur untersucht werden, um eine synergetische Vernetzung von Komponenten zu ermöglichen, was wiederum zu zusätzlichen Masseneinsparungen führen kann. Der Ansatz, welcher im Vorhaben verfolgt wurde, ist die Untersuchung der Machbarkeit von Lebenserhaltungssystemen auf Basis der synergetischen Integration von Photobioreaktoren und Brennstoffzellen. Mit den Photobioreaktoren, die für die Kultivierung von Mikroalgen eingesetzt werden, kommen biologische Prozessführungen hinzu. Die eingesetzten Mikroalgen der Spezies Chlorella vulgaris setzen das ausgeatmete Kohlendioxid der Besatzung mit Hilfe von Licht in Biomasse (Nahrung) um. Der dabei produzierte Sauerstoff kann einerseits in die Kabine zurückgeführt, andererseits der Brennstoffzelle zusammen mit Wasserstoff zur Erzeugung elektrischer Energie zugeführt werden. Über den Elektrolyseprozess wird Wasser aus dem Photobioreaktor bzw. aus dem Brennstoffzellenprozess in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespaltet. Letzterer ist vor allem als Energiespeicher und Treibstoff vielseitig einsetzbar. Durch die Stoffregenerations- und Vernetzungsfähigkeit der eingesetzten Technologien, sowie durch die Ausnutzung synergetischer Effekte bei der Infrastrukturgestaltung lassen sich Masseneinsparungen und Redundanzen erzielen. Die konkreten Arbeiten konzentrieren sich auf die Systembewertung dieser Vernetzung von Photobioreaktoren (Sauerstoffproduktion, Kohlendioxidaufnahme, Nutzung als Nahrung) und der Brennstoffzellen (Erzeugung elektrischer Energie, Wassererzeugung) sowie auf die technischen Aspekte der Systemintegration. Von den Schnittstellen der Komponenten zum Lebenserhaltungssystem darf keine Gefahr einer Kontamination ausgehen, so dass Gegenmaßnahmen mitberücksichtigt werden müssen. Zusätzlich wurde ein Design für einen mikrogravitationstauglichen Photobioreaktor entwickelt. Die Ergebnisse fließen abschließend in ein Konzept für ein Weltraumexperiment, welches künftig als Erweiterung des geplanten Advanced Closed Loop Systems auf der Internationalen Raumstation dienen könnte.
Regenerative Lebenserhaltungssysteme für die Raumfahrt mit synergetisch integrierten Photobioreaktoren und Brennstoffzellen. Schlussbericht .Zeitraum 01.09.2008 - 31.12.2011
2012
46 Seiten, 26 Bilder, 8 Tabellen, 20 Quellen
Report
German