Für die zukünftigen bemannten Mond- und Mars-Stationen wird es wichtig sein, die zum Leben benötigten Stoffe und Nahrungsmittel selbst zu produzieren. Optimal wäre ein weitgehend abgeschlossenes System, das aus dem ausgeatmeten Kohlendioxid Sauerstoff und aus den Abfallprodukten Wasser und Nahrungsmittel zurückgewinnen könnte. Solch ein künstliches Ökosystem würde die Besatzung unabhängig vom aufwändigen Nachschub machen.

Aufgaben des Lebenserhaltungssystems

• Sauerstoffversorgung
• Entfernen des ausgeatmeten Kohlendioxids aus der Luft
• Filtern von Giftstoffen und Verunreinigungen aus der Luft und dem Wasser
• Regulierung der Luftfeuchtigkeit
• Regulierung des Luftdrucks
• Regulierung der Raumtemperatur

Bei längeren Weltraummissionen zusätzlich:

• Wasserproduktion
• Wasseraufbereitung
• Nahrungsmittelversorgung
• Entsorgung von Abfällen, Kot und Urin

Besonders wichtig sind die Versorgung mit Sauerstoff und die Entfernung des Kohlendioxids aus der Kabinenluft (Vergiftungsgefahr).

Möglichkeiten der Sauerstoffversorgung

• elektrolytische Aufspaltung von (an Bord zurückgewonnenem) Wasser (H2O), in Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2, kann zur CO2-Entfernung verwendet werden, s.u.), geringster Massenbedarf aller Verfahren
• Tanks mit gasförmigem Sauerstoff (fast problemlos, aber großes Volumen, hoher Druck)
• Tanks mit flüssigem, tiefgekühltem Sauerstoff (kleines Volumen, aber aufwändiger)
• chemische Reaktionen, die Sauerstoff freisetzen
• in zukünftigen Mond- und Marsbasen werden Gewächshäuser und künstliche Ökosysteme eine wichtige Rolle spielen (siehe unten)

Kohlendioxid lässt sich aus der Atemluft entfernen durch

• Chemikalien, die CO2 binden, z.B. LiOH, NaOH oder Ca(OH)2
• Aluminiosilikate, die CO2 in ihre poröse Struktur einlagern und im Vakuum als CO2-Eis wieder abgeben
• elektrochemische Abscheidung aus der Luft (elektrochemischer depolarisierter CO2-Konzentrator) und anschließende Umwandlung in H2O mit einem der folgenden Verfahren
• Sabatier-Verfahren:
4H2 + CO2 --> 2H2O + CH4 + Wärme,
an einem Nickel- oder Kobalt-Katalysator zwischen 300 und 400 °C. (CH4, Methan, wird entlüftet oder als Reaktionsmasse für ein Lageregelungssystem verwendet; H2O für Trink-, Brauchwasser oder O2-Gewinnung)
• Bosch-Verfahren:
CO2 + 2H2 --> C + H2O + Wärme,
an einem Eisen-Katalysator zwischen 530 und 730 °C.

Wasserrückgewinnung

Da Wasser den größten Massenanteil an lebenswichtigen Stoffen ausmacht und für die elektrolytische Produktion des Sauerstoffs benötigt wird, ist dessen Rückgewinnung und Wiederaufbereitung durch Filterung und Umkehrosmose besonders bei Langzeitmissionen unerlässlich. Rückgewinnungsquellen sind:

• Wasserkondensation durch das Regelsystem der Luftfeuchtigkeit
• Wasser, das bei der CO2-Entsorgung anfällt
• Filterung des Wasch- und Reinigungswassers
• Wasser aus Urin und Kot
• Laborwasser und Wasser aus Experimenten
• zukünftig Wasser aus der Pflanzenzucht in Mond- und Marsbasen

Die Verunreinigung des Wassers, der Luft, der Aufbereitungsanlagen und der Oberflächen mit Mikroorganismen muss überwacht werden.

Siehe auch: Was gibt's zum Frhstck auf dem Mars?

Verwandtes Thema: Rohstoffgewinnung auf dem Mars ...

Melissa - Micro-Ecological Life Support System Alternative

Im Rahmen des Melissa-Projekts untersucht die Esa seit 1989 zusammen mit Forschungseinrichtungen aus Europa und Kanada die Möglichkeiten, einen in sich geschlossenenen Lebensraum zu schaffen. (Entsprechende Forschungen werden auch in den USA und in Russland durchgeführt.) In diesem kleinen Ökosystem sollen sich Astronauten, Pflanzen und Mikroorganismen gegenseitig mit den Stoffen versorgen, die sie zum Leben benötigen. Für den Menschen sind dies vor allem Sauerstoff, Wasser und Nahrungsmittel.

Was die Mikroorganismen und Pflanzen zur Produktion dieser Stoffe benötigen, liefert der Mensch hauptsächlich in Form von biologisch abbaubaren Abfällen, Kohlendioxid (Atmung) und anderer körperlichen Ausscheidungen.

Das Habitat der Astronauten, in dem sie bei zukünftigen Missionen auf dem Mond, dem Mars oder in einer Raumstation leben und arbeiten werden, soll dann zum Melissa-Ökosystems erweitert werden. Es wird dann aus fünf Einheiten bestehen, die einen weitgehend geschlossenen Stoffkreislauf bilden:

1. Habitat der Astronauten

• Wohn- und Arbeitsbehausungen
• Menschen verbrauchen Sauerstoff, Wasser, Nahrung
• produzieren Abfälle, Kohlendioxid, Kot und Urin

2. Verflüssigung

• Sammelstelle für biologisch abbaubare Abfälle wie Kot, Urin, Essensreste, Grünschnitt
• Gärung, Abbau von Proteinen, Zucker und Zellulose: anaerobe Bakterien (Energiestoffwechsel ohne molekularen Sauerstoff, O2) wandeln den Abfall um in Wasserstoff (H2), Kohlendioxid (CO2), Ammonium (NH4+), flüchtige Fettsäuren und Mineralstoffe.
• Schwer abbaubare Substanzen wie Zellulose werden physikalisch, chemisch oder durch Pilze gesondert behandelt..
• Zur Verbesserung des Abbauprozesses werden physikalische und chemische Methoden untersucht sowie der Einsatz von Pilzen.
• Auch der produzierte Wasserstoff soll verwertet werden.

3. weiterer Abbau der Abfallprodukte

• Photoheterotrophe Bakterien (auf organische Kohlenstoffverbindungen aus der Umgebung angewiesen) zersetzen mithilfe von Licht durch ihren Energiestoffwechsel die organischen Abbauprodukte der vorhergehenden Abbaustufe weiter.
• Abgabe von CO2, Ammonium und Mineralstoffe

4. Nitrifikation

• Nitrobakterien (Energiestoffwechsel durch Oxidation von Stickstoffverbindungen) oxidieren NH4+ zu NO2- (Nitrosomas) und NO2- zu NO3- (Nitrobacter).
• NO3- (Nitrat) dient als Nährstoff für höhere Pflanzen und Blaualgen (Cyanobakterien).

5. Pflanzenanbau

• Anbau von Feldfrüchten wie Weizen, Tomaten, Kartoffeln, Sojabohnen, Reis, Spinat, Zwiebeln und Salat
• Ansiedelung von Blaualgen / Cyanobakterien (Spirulina) als Nahrungsquelle
• Abbau von Kohlendioxid (CO2), Produktion von Atemsauerstoff (O2), Wasserrückgewinnung

Die nächsten Schritte

Im Melissa-Projekt wird untersucht, wie die einzelnen Einheiten des Melissa-Ökosystems möglichst wirksam funktionieren und zusammenarbeiten. Zusätzlich müssen Systeme beispielsweise zur Messung der Nähstoffkonzentrationen entwickelt und verbessert werden. Weitere Fragestellungen zielen auf die speziellen Einsatzbedingungen in der Schwerelosigkeit, dem Mond oder Mars. Wie lässt sich beispielsweise der Anbau von Getreide und anderen Feldfrüchten unter verringertem Luftdruck in einem Marsgewächshaus optimieren?

Die Melissa-Pilot-Anlage wird in Spanien auf dem Gelände der Universitat Autònoma de Barcelona betrieben. Sobald die Anlage im Kleinen voll funktionsfähig ist und Ratten einen Lebensraum bieten kann, sollen in größeren Kammern Menschen probeleben. Davon werden nicht nur Astronauten profitieren, denn die Forschungsergebnisse lassen sich auch irdisch für die Ökologie, Abfall-, Luft- und Wasseraufbereitung verwerten. Melissa-Techniken der Abwasserbehandlung werden zum Beispiel seit Ende 2004 in der antarktischen Forschungsstation Concordia eingesetzt.