Opracowanie systemu oczyszczania wody, który pomoże w uprawach prowadzonych w pozaziemskich koloniach, to temat pracy doktorskiej realizowanej przez Annę Jurgę z Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej

Dotychczas podróże na Marsa mieściły się w sferze marzeń i powieści science-fiction, jednak w ostatnich latach sporo się w tej kwestii zmieniło. Pytanie nie brzmi już bowiem „czy polecimy na Czerwoną Planetę?”, ale „kiedy tam dotrzemy?”.

Już w 2010 r. ówczesny prezydent USA Barack Obama przedstawił nową koncepcję wypraw kosmicznych, która zakłada m.in. loty na planetoidę, następnie na orbitę Marsa i ostatecznie na Czerwoną Planetę. Jeszcze dalej poszedł Elon Musk, szef firmy SpaceX, który zapowiedział zorganizowanie bezzałogowych lotów na Marsa do 2022 r., a lotów załogowych już dwa lata później.

Efektem wypraw ma być powstanie pozaziemskiej, w dużym stopniu samowystarczalnej, kolonii, co wiąże się z opracowaniem nowych technologii związanych m.in. z zamknięciem obiegu wody np. poprzez wykorzystanie oczyszczonych ścieków do  uprawy żywności. To właśnie tego tematu dotyczy praca doktorska Anny Jurgi, którą pisze pod kierunkiem dr. hab. inż. Ryszarda Szeteli i z pomocą dr. Kamila Janiaka z Wydziału Inżynierii Środowiska PWr.

Ideą projektu jest opracowanie działającego w warunkach obniżonej grawitacji systemu oczyszczania ścieków wytwarzającego i dostarczającego składniki niezbędne do wzrostu roślin na uprawach aeroponicznych. Pomysł na temat pracy doktorskiej wziął się z zainteresowania naszej doktorantki kosmosem oraz pracy naukowej dr. Janiaka, który zajmuje się m.in. zwiększeniem efektywności oczyszczania ścieków poprzez zastosowanie bakterii anammox (więcej o tych badaniach na stronie). 

Oczyszczanie ścieków pomoże w uprawach

Aeroponika to jeden z systemów uprawy bezglebowej roślin. Rośliny są umieszczone na wiszących płytach, ich korzenie znajdują się w powietrzu, a wodę i składniki mineralne otrzymują w postaci mgiełki rozpylanej bezpośrednio na korzenie. Obecnie prowadzone badania pokazują, że dzięki tej metodzie rośliny rosną i rozwijają się dużo szybciej niż przy zastosowaniu tradycyjnych technik. Tego typu uprawy mogą być w przyszłości wykorzystywane w koloniach pozaziemskich do produkcji żywności.

– Celem projektu jest opracowanie reaktora biologicznego, w którym przy zastosowaniu bakterii ścieki byłyby oczyszczane, czego  efektem będzie otrzymanie odżywki, wykorzystywanej do nawożenia upraw aeroponicznych. Pozwoli to na pierwszy krok w kierunku zamknięcia całego obiegu wody na kolonii pozaziemskiej – tłumaczy doktorantka.

Koncepcja zakłada wykorzystanie moczu oraz tzw. wody szarej, a więc wody użytej wcześniej przez kolonistów np. do kąpieli i mycia. W pierwszym etapie ścieki są transportowane do reaktora biologicznego, w którym – przy zastosowaniu procesu nitryfikacji, czyli utleniania amoniaku i soli amonowych do azotynów i azotanów – zostaną przerobione na pożywkę zasilającą następnie rośliny na uprawach aeroponicznych.

– Wytworzenie nawozu o odpowiednich dla roślin parametrach jest trudnym zadaniem, ale reakcje zachodzące w reaktorze biologicznym pozwalają na otrzymanie potrzebnych związków. Chodzi o to, żeby procesy normalnie zachodzące w glebie przenieść do reaktora – mówi Anna Jurga.

Przy projekcie nasi naukowcy współpracują z Uniwersytetem Przyrodniczym w Poznaniu, gdzie prowadzone są badania m.in. nad uprawami aeroponicznymi pomidorów i ziemniaków.  – Wiadomo, że dieta kolonistów powinna być zróżnicowana, dlatego w kolonii pozaziemskiej docelowo uprawianych musi być ok. 15 gatunków roślin. My w naszym projekcie skupimy się na początku na pojedynczych gatunkach roślin i w miarę upływu czasu będziemy się starali stworzyć bardziej skomplikowane moduły. Trzeba pamiętać, że każda roślina ma określony wymogi i osobną kwestią jest to, czy za pomocą jednej odżywki otrzymanej w naszym reaktorze biologicznym da się odżywić kilkanaście różnych gatunków roślin – dodaje dr Kamil Janiak. 

Woda na wagę złota

Reaktor biologiczny oczyszczający wodę będzie miał ok. 2 m szesc. objętości, a pojedynczy układ wystarczy dla ośmioosobowej załogi. Przygotowując instalację nasi naukowcy są jednak ograniczeni m.in. tym, ile ścieków będzie produkowane w habitacie.

– O ile w przypadku uryny jesteśmy w stanie to określić, to niestety trudno oszacować, ile wody będzie wykorzystywane przez pojedynczego kolonistę np. do kąpieli. W tym wypadku musimy się opierać na raportach NASA, które zakładają, że pobór wody w zaawansowanej kolonii pozaziemskiej będzie zdecydowanie niższy niż np. w krajach Trzeciego Świata. Dzienne zużycie wody ma wynieść ok. 30-40 litrów na osobę, a trzeba pamiętać, że część, której nie pobiorą rośliny, będzie oczyszczona w układzie membranowym i skierowana do ponownego użytku – wyjaśnia Anna Jurga.

Kolejnym problemem jest oszacowanie wpływu obniżonej grawitacji na procesy oczyszczania biologicznego ścieków. – Niestety nie da się tego długotrwale zasymulować, ale przy projektowaniu współpracujemy z osobami, które prowadzą badania nad modelowaniem wpływu obniżonej grawitacji. Trzeba przyjąć, że przy wprowadzeniu odpowiednich danych nasza koncepcja sprawdzi się w tych nietypowych warunkach, ale oczywiście najlepiej byłoby to przetestować np. na międzynarodowej stacji kosmicznej – dodaje doktorantka.

Uniwersalny druk 3D

Co ciekawe, cała instalacja ma powstać w technologii druku 3D. To rozwiązanie bardzo praktyczne i łatwe do zastosowania, bowiem w wypadku uszkodzenia jakiegoś elementu, nowe części będzie można w dość szybkim czasie uzyskać na miejscu.

– O ile opanowanie samego procesu biologicznego nie stanowi wielkiego problemu, to sporym wyzwaniem będzie takie przygotowanie reaktora, żeby był szczelny i żeby te procesy w nim zachodziły. Do rozwiązania mamy więc sporo kwestii technicznych – przyznaje dr Kamil Janiak.

Problemu nie będzie natomiast z energią, bowiem biologiczne procesy oczyszczania wody są dużo bardziej energooszczędne niż techniki fizyko-chemiczne, co oznacza, że przy długotrwałym pobycie w kolonii pozaziemskiej, także bardziej efektywne. 

– Ważne jest również, że nasz projekt może mieć zastosowanie na Ziemi. Bowiem jest wiele miejsc, które obecnie borykają się z deficytem wody, a zastosowanie zamkniętego obiegu oraz wtórne wykorzystanie ścieków znacząco ogranicza zużycie zasobów – podkreśla naukowiec.

Obecnie nasi badacze poszukują źródeł finansowania dla projektu. Anna Jurga ma także nadzieję, że jej praca zainteresuje Europejską Agencję Kosmiczną (ESA). – Pod koniec kwietnia lecę na tygodniowy kurs do placówki ESA w Belgii i chciałabym poruszyć ten temat. Jest bowiem szansa, że pracę doktorską mogłabym napisać we współpracy z agencją – dodaje doktorantka.

mic