Elossapitojärjestelmä

Elossapitojärjestelmä on avaruustekniikassa järjestelmä, joka tuottaa happea, vettä ja ruokaa avaruusaluksen tai -aseman miehistölle. Avoin elossapitojärjestelmä käyttää varastoista happea, ruokaa ja vettä, joista se tuottaa jätteitä. Nykyiset elossapitojärjestelmät ovat puoliavoimia, esimerkiksi ilma puhdistetaan ja kierrätetään niissä ainakin osittain.

Elossapitojärjestelmästä käytetään lyhenteitä LSS () sekä erityisesti NASAn käyttämää ECLSS (Environmental Control and Life Support System). Elossapitojärjestelmällä voidaan tarkoittaa myös yleisesti esimerkiksi vaarallisiin töihin tarkoitettua raskasta suojavarustusta.

Tulevan kuuaseman ja Mars-lennon suunnittelijat ovat kiinnostuneet suljetusta elossapitojärjestelmästä, jossa ilma, vesi ja ravinteet kiertävät kasvien ja ihmisten välillä samaan tapaan kuin Maan ekosysteemissä. Ilman puhdistaminen vaatisi silloin esimerkiksi levätankkeja tai kasvihuoneita ja ihmiset saisivat proteiineja vaikkapa viljellystä kalasta. Kokonaan ilman ulkopuolista energiaa toimivaa elossapitojärjestelmää ei ole kuitenkaan mahdollista rakentaa termodynamiikan pääsääntöjen vuoksi.

Tyypillinen elossapitojärjestelmä 

Nykyään tyypillinen elossapitojärjestelmä on puoliavoin, eli suuri osa ilmasta kierrätetään, ja kiinteät jätteet heitetään tiehensä.
Tyypillinen avaruuspuvun tai avaruusaluksen elossapitojärjestelmä kierrättää suuren osan ilmasta ja lisää siihen happea tarvittaessa. Hiilidioksidi, epäpuhtaudet, haju ja vesihöyry poistetaan ihmisen hengittämästä ilmasta. Tämäntyyppinen järjestelmä oli esimerkiksi kuulennoilla käytetyn avaruuspuvun PLSS-järjestelmä, joka oli astronauttien selkärepuissa.

Ihmisen elossapitotarpeet 

Ihminen tarvitsee päivässä yhteensä 5 kg happea, ruokaa ja vettä. Käytännön kokemukset venäläisillä Saljut- ja Mir-avaruusasemilla näyttävät ihmisen tarvitsevan 15 kg tarvikkeita vuorokautta kohden.

Elossapitojärjestelmän pitää tuottaa tai kierrättää päivässä yhtä ihmistä varten 0,84 kg happea, 0,62 kg ruokaa ja 3,52 kg vettä. Ihminen tuottaa päivässä 0,11 kg kiinteitä jätteitä, 3,87 kg nestemäisiä jätteitä ja 1,00 kg hiilidioksidia.
Toiset lähteet ilmoittavat hapelle 0,7–1,0 kiloa, vedentarpeeksi 2,6–3,0 kiloa ja ravinnon kuivapainoksi 0,5–0,9 kiloa. Yhteismassa on 3,8–4,9 kiloa. Näin ollen yksi ihminen kuluttaa vuodessa 1,8 tonnia perustarvikkeita.

Toisen arvion mukaan happea tulee 0,97 kg päivässä, vettä juomissa ja ruoassa 2,85 kg, kiinteää ravintoa 0,66 kg, josta valkuaisia 0,12 kg, hiilihydraattia 0,42 kg ja rasvaa 0,12 kg. Ilmaa, ruokaa ja vettä kuluu silloin 4,48 kg ja ravinnosta saadaan 13 MJ/vrk. On huomattava, että raskas työ vaatisi 20 MJ/vrk. Ulos tulee hiilidioksidia 1,14 kg, vesihöyryä 1,32 kg, eli hengityksestä 2,46 kg. Ulosteissa ja virtsassa tulee nesteitä 1,94 kg ja kiinteää ulostetta 0,08 kg, eli eritteitä yhteensä 2,02 kg. Näin ollen ihminen tuottaa jätettä 4,48 kg. 

Eräiden neljänsien arvioiden mukaan 70 kg painoinen "perusmies" saa vettä 3 kg päivässä, josta 0,7 kg tulee ruoasta ja 1,95 kg juomasta, ja 0,35 kg hengityksestä. Hengityksen mukana poistuu 0,85 kg vettä, hien mukana 0,65 kg vettä ja virtsan mukana 1,4 kg vettä. Ulosteen mukana poistuu vain 0,1 kg vettä. Kevyt työ ja lepo vievät molemmat 9 600 litraa/8 tuntia, ja uni 3 600 litraa ilmaa. Näin perusmies hengittäisi 22 800 litraa eli noin 23 m3 ilmaa vuorokaudessa.

Maan ilmanpaine on merenpinnan tasolla keskimäärin 101,3 kPa, ja happea on ~21 tilavuus%. Jos hapen osuus on suurempi, ilmanpaine voi olla 25–26 kPa. Esimerkiksi 1970-luvun amerikkalaisessa avaruusasema Skylabissa oli happea 41 % ilmassa, jonka paine 65 % normaalista.

Ihminen voi hengittää, jos hapen osapaine on 0,13–0,33 kertaa merenpinnan tasolla oleva paine, eli 13–33 kPa. Neuvostoliiton avaruuspuvuissa ja Yhdysvaltain Apollo-aluksissa on käytetty 30 kPa happea. Normaalissa ulkoilmassa on hiilidioksidia 0,03 % eli luokkaa 300 ppm ja tunkkaisessa ilmassa voi olla jopa 1 %. Avaruusaluksessa saa olla korkeintaan 0,5–1 % hiilidioksidia. Suomessa sisäilmaston huonoin laatuluokitus S3 antaa ilman CO2-pitoisuudelle maksimirajaksi 1 200 ppm eli 2 200 mg/m3.

Elossapitojärjestelmän on kyettävä pitämään ilman lämpötila kohtalaisissa rajoissa. Lämpötilan on oltava aluksessa välillä 10–37 °C, mieluiten noin 18–22 °C. Yli 25 °C tuntuu monista epämukavalta, ja alle 10 °C kohmettaa. Yli 31 °C:ssa alkaa ihmisen henkinen suorituskyky hieman alentua, ja 36 °C:ssä fyysinen suorituskyky on alentunut noin 50 %:iin.

Suljettu elossapitojärjestelmä 

Elossapitojärjestelmiä pyritään kehittämään mahdollisimman vettä, happea ja ruokaa kierrättäviksi, jotta ne soveltuisivat käyttöön pitkillä avaruuslennoilla. Tämä vaatii esimerkiksi kasvien lannoittamista ihmisten ulosteilla ja veden eristämistä virtsasta. Tähän mennessä ei ole kehitetty aineita 100 %:isesti kierrättävää järjestelmää, jollainen tarvittaisiin esimerkiksi kuuasemalla tai Mars-lennoilla.

Suljettua elossapitojärjestelmää tavoittelevat kokeet 

Osin suljetulla elossapitojärjestelmillä on tehty kokeita Yhdysvalloissa ja Venäjällä. Kokeissa on tullut epäonnistumisia ja ongelmia muun muassa hengitysilman ja ravinnon tuotannossa. Pahoja rasitteita on monesti ollut miehistön jäsenten väleissä kun joudutaan elämään pitkiä aikoja ahtaissa suljetuissa tiloissa sekä miehistön ja maa-aseman välillä, kun miehistö kokee maa-aseman käskyt painostavina.

Venäjällä on tutkittu pitkään erilaisia puoliavoimia elossapitojärjestelmiä. Nämä kokeet eivät ole tuottaneet suljettua elossapitojärjestelmää eli veden, ravinnon ja ilman täydellistä kiertämistä. Vuonna 1961 venäläinen tutkija Jevgeni Shepelev sulkeutui 24 tunniksi tilaan jossa 8 neliömetriä Chlorella-levää tuotti riittävästi happea, mutta ilma muuttui tukahduttavaksi uloshengityskaasuista ja Shepelev selvisi kokeesta hädin tuskin pyörtymättä.
 
Vuonna 1967–1968 kolme neuvostoliittolasta eli vuoden eristyksessä 12 m² alalla IMBP-kokeessa jossa oli mukana muun muassa lääkäri German Manovtsev. Kokeessa esiintyi muun muassa ikävää ja ärtymystä, ja eräässä vaiheessa miehet joivat vedenpuutteen takia vettä vessan säiliöstä. Miehet toivoivat pikaista kokeen loppumista eristyksissä ollessaan. Vuonna 1972 kolme koehenkilöä, kaksi miestä ja nainen viettivät puoli vuotta eristyksessä.

Venäjällä on pitkään kokeiltu puoliavoimia järjestelmiä BIOS-3:ssa Krasnojarskissa. 3 henkeä elättävän BIOS-3:n tilavuus on 315 kuutiometriä, ja siinä muun muassa kasvatetaan kasveja keinovalossa. Se vaatii 400 kW sähköä. 1960-luvun lopulla tehdyssä kokeessa BIOS-3:ssa ei kierrätetty ihmisen jätteitä kasvien ravinnoksi, ilma puhdistettiin katalyytillä ja miehistö söi muun muassa kuivattua lihaa viljeltyjen kasvien lisäksi. BIOS-3-laboratoriossa kävi ilmi, että kasvit ja lemmikkieläimet vähentävät henkistä pahoinvointia ja stressiä. 

2000-luvun lopun Mars-500-koetta edeltävässä 105 päivän kokeessa oli venäläisten ja ulkomaalaisten välistä kitkaa vaikka välttämättömät toimet sujuivatkin. Alussa miehistön mieliala oli hyvä, keskivaiheilla oli pieniä erimielisyyksiä ja valvontakeskuksen vaatimukset ärsyttivät. Jäljitelty laskeutuminen Marsiin nosti mielialaa ja paluun keskivaiheilla oli tylsää.

Yhdysvalloissa kokeiltiin ilmatiivistä Biosfääri 2:ta, muttei täysin onnistuneesti. Järjestelmään jouduttiin tuomaan happea ulkoa ja asentamaan hiilidioksidin poistosuodattimia, kun kasvit eivät yhteyttäneet riittävästi. Molemmat 1991–1994 tehdyt kokeet epäonnistuivat ja johtivat osallistujien pahaan riitaantumiseen. Biosfääri 2 sai huonon maineen ja julistettiin tiedeyhteisössä laajalti epäonnistuneeksi.

Yhdysvalloissa kokeiltiin muun muassa ilman, veden ja ravinteiden kierrättämistä pienessä yhden hengen asuttamassa BioHome:ssa. Silti BioHome ei ollut täysin ilmatiivis, niin kuin Biosfääri 2. Euroopassa tutkitaan levien käyttöä ravintona MELiSSA-projektissa, joka liittyy mahdollisesti tuleviin Mars-lentoihin.

Lähteet

Viitteet

Ekosysteemi
Miehitetyt avaruuslennot