Analyse von Abgasen während einer simulierten Marsmission

Im Rahmen eines Projektes zur Messung der Auswirkungen einer langfristigen Isolation auf Astronauten lebten zeitweise kleine Gruppen ausgewählter Personen in einem winzigen Raum am oberen Hang eines Vulkans in Hawaii. Dort konnte das Projektteam Situationen registrieren, denen auch eine bemannte Mission zum Mars begegnen würde.

Im Rahmen der Projektforschung untersuchte Anne Caraccio seitens der NASA Abgase aus dem Müll der Besatzung mit einem tragbaren Gasmet FTIR Gasanalysator. „Abfälle aus der alltäglichen Tätigkeit der Besatzung werden routinemäßig sortiert und gelagert, aber wir müssen die Zusammensetzung der Abgase aus diesen Materialien aus gesundheitlichen und sicherheitstechnischen Gründen kennen und auch ermitteln, ob diese Gase vorteilhaft genutzt werden können“, berichtet Anne.

Die Messungen wurden während der zweiten von vier HI-SEAS (Hawaii Space Exploration Analog und Simulation) Missionen unternommen. Für 120 Tage teilten sich 6 Besatzungsmitglieder eine zweistöckige, solarbetriebene Kuppel mit 11 Metern Durchmesser sowie ein Labor in der Größe eines Versandcontainers. Neben gemeinsamen Projekt-Aufgaben führte jedes Besatzungsmitglied eigene, weitere Forschungen durch, die in Annes Fall als „Trash to Gas“ (Müll-zu-Gas) benannt ist. Es ist ein Programm, das sich mit der Entwicklung eines Reaktors zur Umwandlung von Abfällen bei langjährigen Missionen in nützliche Rohstoffe wie Wasser, lebenswichtiger Sauerstoff und Raketentreibstoff beschäftigt.

Hauptziel der zweiten HI-SEAS-Mission war, Leistung und soziale und psychologische Verfassung der Besatzungsmitglieder unter beengten, isolierten Bedingungen in einer dem Mars ähnlichen Umgebung der Lavafelsen zu bewerten. Aufenthalte außerhalb der Räumlichkeiten waren zwar erlaubt, aber mit simulierten Raumanzügen und nach einer 5-minütigen Kompression / Dekompression. Da der FTIR-Gasanalysator tragbar (14 kg) ist, konnte Anne eine Überwachung sowohl innerhalb als auch außerhalb der „Raumkapsel“ durchführen und die Daten vergleichen. „Größe, Gewicht und Portabilität sind offensichtlich von großer Bedeutung für ein Projekt wie dieses, aber der Hauptvorteil dieser Technologie ist seine Fähigkeit, eine große Anzahl von Verbindungen gleichzeitig zu messen. Ich habe 24 VOCs wie Acetaldehyd, Methan und Ethylen gemessen, aber das Instrument speichert auch Spektren der Messungen. So können Daten auch nachträglich noch analysiert werden, wenn z. B. eine bestimmte Verbindung zu einem späteren Zeitpunkt untersucht werden soll.”

Durch die Messungen konnten vorhandene Gase ermittelt werden. Zum Beispiel emittierten gelagerte Abfälle relative Höchstwerte an Ethanol (aufgrund von Hygiene-Tüchern und Reinigungsmitteln der Besatzungsmitglieder) und Wasserdampf (aufgrund von Restwasser aus Nahrungsmittel- und Pflanzenabfällen). Im Labor mit Pflanzen war dagegen am wenigsten Methan zu verzeichnen. Die Mülltonnen hatten höhere relative Werte von Stickoxid und Pentan und im Bad fand sich am meisten Acetaldehyd.

Der FTIR Gasanalysator, ein DX4040, wurde von der Firma Gasmet Technologies geliefert. „Wir waren sehr erfreut, dieses Projekt unterstützen zu können“, sagt Jim Cornish von Gasmet. „Die gleichzeitige Überwachung mehrerer Verbindungen ist eine gemeinsame Anwendung unserer FTIR-Analysatoren, die üblicherweise zum Messen von Gasen in Stapelemissionen, industriellen Prozessen, Treibhausgasforschung und in Hazmat-Szenarien eingesetzt werden. In der Regel versichern wir potenziellen Kunden, dass die FTIR-Technologie einfach zu bedienen ist. „Es ist keine Raketenwissenschaft, sagen wir. Ich denke wir müssen das jetzt umformulieren.“

Die während der HI-SEAS-Mission entstandenen Abfälle wurden während der gesamten Einsatzdauer gemessen, obwohl der Zeitraum kürzer war, als er im Falle einer echten Mission tatsächlich sein würde. Die HI-SEAS Abfälle im Müll-zu-Gas-Reaktor, simuliert im Kennedy Space Center, ergaben, dass die maximale Leistung am effizientesten mit spezifischen Materialverarbeitungszyklen zu erreichen ist. Auch automatisiert sollte der zukünftige Reaktor arbeiten, da die aktuelle Technologie für die Besatzung zeitaufwendig ist.

Der Müll-zu-Gas-Reaktor wandelt zuerst Abfälle in Kohlendioxid um, das dann mit Wasserstoff in einer Sabatier-Reaktion zur Herstellung von Methan und Wasser gemischt wird. Der Kennedy Space Center Trash-to-Gas-Reaktor verarbeitete drei Abfallarten und produzierte 9 % der Leistung, die während der HI-SEAS-Mission erforderlich wäre.

Als Teil der psychologischen Bewertung führte jedes Mitglied der Besatzung regelmäßig Tagebuch. Mittels „soziometrischen“ Marken wurden Konversationsmuster und Stimmton aufgenommen. Anne kommentierte die psychologischen Ergebnisse des Projektes folgendermaßen: „Die Leute kannten sich nicht als sie den Habitat (Kapsel) betraten, im Gegensatz zu einer typischen Weltraummission, in der die Mannschaft im Vorfeld monate- oder jahrelang zusammengearbeitet und trainiert hätte. Trotzdem sind die Leute auf dem engen Raum sehr gut miteinander ausgekommen und es gab nach meiner Meinung keine erhebliche Stresszeiten.“

Die dritte Hi-SEAS-Mission beginnt am 15. Oktober. Wieder wird eine 6-Mitglieder-Crew eine ähnliche Mission durchführen, diesmal für 8 Monate. Anne erläutert: „Die Teilnahme an diesen Missionen erfordert eine echte Leidenschaft für Wissenschaft, Technik und Raumfahrt. Die Bewerbung umfasst die flugmedizinische Tauglichkeitsklasse 2, ein persönlicher Forschungsprojektvorschlag, Abhandlungen, Interviews und pädagogische Anforderungen, die alle den NASA-Bewerbungsverfahren für Astronauten ähnlich sind.“

Anne abschließend mit Blick auf die Zukunft: „Die Technologie, die zum Mars reist, ist noch nicht vollständig entwickelt, aber eine menschliche Mission ist in den Bereich des Möglichen gerückt, die Reise würde etwa ein Jahr dauern. Ich bin zuversichtlich, dass unsere Müll-zu-Gas-Forschung dann ihren Beitrag dazu leisten wird.

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