Die bemannte Erforschung unseres Sonnensystems über den niedrigen Erdorbit hinaus ist eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Ein Schlüsselelement ist die Regeneration von essentiellen Ressourcen des Lebenserhaltungssystems. Dies reduziert die benötigte Nachschubmasse und erhöht langfristig die Wirtschaftlichkeit eines Raumfahrtsystems. Die Nutzung einer synergetisch vernetzen Infrastruktur, als Rückgrat eines integrierten Systems, erhöht die Betriebszuverlässigkeit und -flexibilität. Künftige Lebenserhaltungssysteme müssen in der Lage sein Sauerstoff und Wasser zu regenerieren sowie Nahrung zu produzieren. Die in-situ Produktion von Nahrung ist gleichbedeutend mit der Wiedergewinnung von Kohlenstoff aus von Astronauten ausgeatmetem Kohlendioxid. Während physikochemische Technologien in der Lage sind, Sauerstoff und Wasser aufzubereiten, ist die Produktion von Nahrung biologischen Technologien vorbehalten. In Hinsicht auf die vielfältigen Einschränkungen in einem Raumfahrtsystem, stellt die Produktion von Nahrung eine besondere Herausforderung dar. Die Kultivierung von essbaren Mikroalgen in Photobioreaktoren ist ein durchaus realisierbarer Ansatz. Mikroalgen führen die Photosynthese durch und konsumieren dabei Kohlendioxid. Im Gegenzug produzieren sie Sauerstoff und essbare Biomasse. Das Konzept eines integrierten hybriden Lebenserhaltungssystems wird auf theoretischer und experimenteller Ebene betrachtet. Der Fokus der Untersuchungen liegt dabei auf der Integration von Photobioreaktoren zur Kultivierung von Mikroalgen. Als massensparende Alternative zu herkömmlichen Batterien, fungieren regenerative Brennstoffzellen als physikochemisches Gegenstück in der vernetzten Infrastruktur. Die individuelle und kombinierte Anwendung beider Technologien in einem integrierten System wird in Systemstudien untersucht. Die betrachteten Explorationsszenarien umfassen Stationen auf der Oberfläche des Mondes und des Mars sowie Stationen und Transferfahrzeuge im Weltraum. Die Ergebnisse weisen auf die Vorzüge der zumindest teilweisen Schließung des Kohlenstoffkreislaufs und die Entlastung des Energieversorgungssystems hin. Die erwarteten Einsparungen an Nachschub- und Systemmasse werden benannt und die Operationellen Vorteile wie die Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit beschrieben. Die Ergebnisse der Experimente lassen Lösungen zu den technischen Problematiken des vorgeschlagenen Systemkonzepts erkennen. Die verschiedenen Problematiken in Hinsicht auf die individuellen Komponenten und der vernetzen Infrastruktur werden diskutiert. Besonderes Interesse gilt dem Risiko der Verunreinigung der Wasserinfrastruktur. Im Abwasser des Photobioreaktors und im Produktwasser der Brennstoffzellenreaktion sind verschiedene unerwünschte Substanzen identifiziert. Der Einfluss der Substanzen wird erörtert und effiziente Gegenmaßnahmen vorgestellt. Hinsichtlich der Zweiphasenströmung im Photobioreaktor, befasst sich die Arbeit mit dem Entwurf eines mikrogravitationstauglichen Photobioreaktors. Aus Ergebnissen eines Parabelflugexperiments geht ein Entwurf zur optimalen Versorgung der Mikroalgen mit Licht und Nährstoffen mittels der Nutzung von hydrodynamischen Wirbelstraßen hervor. Abschließend wird die Konzeption eines Photobioreaktorsystems für den Einsatz in Schwerelosigkeit und reduzierter Schwerkraft vorgestellt.

    One of the great endeavors of the 2st century is the human space exploration beyond low Earth orbit aiming at challenging destinations as asteroids, Moon and Mars. Prevailing in a harsh and alien environment, severed from Earth's resources and shelter for months and years, entails novel space system technology. One cornerstone, amongst others, is regeneration technology recovering life support essentials from wasted materials. It minimizes supplies and reduces long-term operating costs to acceptable expenses. Another key element is a synergistically joint system infrastructure. As backbone of a synergistic integrated system, it enhances system reliability and flexibility. Involving appropriate components, a joint infrastructure lowers overall system mass, as well. Future environmental control and life support systems must recycle oxygen and water as well as produce food. The production of food is equivalent to regaining the carbon from carbon dioxide exhaled by astronauts. While physicochemical technology is capable to retrieve oxygen from carbon dioxide and potable water from waste water, the production of food is reserved to biological technology. Seeing constraints of space application, food production in space systems poses a special challenge in more than one way. However, the cultivation of edible microalgae in photobioreactors is a feasible approach. Microalgae perform photosynthesis, thereby consume carbon dioxide, and at the same time provide oxygen as well as edible biomass. They grow biomass about ten times faster than higher plants and require significantly less volume. The concept of an integrated hybrid environmental control and life support system utilizing microalgae cultivation in photobioreactors is investigated on theoretical and experimental levels. Regenerative fuel cells serve as physicochemical counterpart in the joint infrastructure. As mass saving alternative to conventional batteries, their application offers benefits in their own right. As photobioreactors, regenerative fuel cells are appropriate components for a joint infrastructure regarding oxygen and water distribution. Individual and combined application of photobioreactors and regenerative fuel cells in an integrated system is scrutinized. System studies also involve simulations of system operation in typical exploration missions to destinations in outer space, Moon and Mars. The results demonstrate the assets of the ability to reinstate carbon partially into food and to relieve the power supply system. Projected savings in (re-)supplies and system mass are specified. Operational benefits as reliability enhancement are pointed out. Experiment results reveal the technical realization terms of the proposed system concept. Crucial obstacles concerning individual components and joint infrastructure are reviewed. Of special interest is the contamination risk of the joint water infrastructure by connected components. Numerous contaminants are identified in water gained from microalgae harvest and fuel cell operation. Their influence is discussed and efficient measures to prevent their distribution throughout the joint infrastructure are introduced. With a two-phase fluid flow in the photobioreactor, a design suitable for a microgravity and reduced gravity environment is another key issue carefully investigated. Based on parabolic flight experiment results, a design providing for optimum supply of light, nutrients as well as carbon dioxide evolved. It utilizes fluid vortex streets developing in the wake of a cylinder. Subsequently, conceptions of photobioreactor systems applicable in microgravity and reduced gravity are presented.


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    Title :

    Integration of an algal photobioreactor in a synergistic hybrid life support system


    Contributors:

    Published in:

    Raumfahrt ; 1-211


    Publication date :

    2013


    Size :

    211 Seiten, Bilder, Tabellen, 106 Quellen



    Type of media :

    Theses


    Type of material :

    Print


    Language :

    English