Wie mache ich Sauerstoff für ein Generationsschiff?

Lebenserhaltungssysteme mit geschlossenem Kreislauf (CLSS) sind die einzige Möglichkeit für längere Weltraumreisen oder sogar Raumstationen und Kolonien, die eine Sonne umkreisen. Wie bereits erwähnt, besteht das eigentliche Problem darin, Verluste auszugleichen, da kein System jemals zu 100 % effizient sein wird.

Eines der Schlüsselelemente für jede Art von CLSS muss Wasser sein. Wasser ist für die Lebensprozesse von allem an Bord unerlässlich. Der Abwasserstrom wird verarbeitet, um Nährstoffe für die Pflanzen (sowohl Algen als auch Nahrungspflanzen) bereitzustellen, dann wird das gereinigte Wasser zum Trinken und für andere Verwendungen auf der menschlichen/tierischen Seite des Systems zurückgeführt.

Das Schiff benötigt also Millionen Liter Wasser für das System. Zusätzliches Wasser kann mitgeführt werden, um das System zu puffern, als Strahlungsabschirmung oder als thermische Wärmesenke zu dienen und andere Zwecke an Bord des Schiffes zu erfüllen. Eine der bequemsten Möglichkeiten, all dieses Wasser zu transportieren, ist als Eis. Anthony Zuppero skizzierte ein einfaches Design in Form eines Donuts oder Reifens, das Eis sowohl als Strukturmaterial als auch als Reservoir für den gesamten Wasserbedarf der Besatzung verwendet. Sollte es zu einer Katastrophe kommen, die das CLSS lahmlegt, kann das Eis geschmolzen und elektrolysiert werden, um Wasserstoff und Sauerstoff freizusetzen, wobei der Sauerstoff der Atmosphäre zugeführt wird. Abgesehen davon besteht die wirkliche Gefahr in einer geschlossenen Umgebung nicht darin, dass der Sauerstoff ausgeht, sondern durch eine Ansammlung von CO2 vergiftet wird.

Die häufigste Lösung für diesen Ansatz besteht darin, zu versuchen, die Biosphäre der Erde zu spiegeln. Da Sie Wasser, Nahrung und Luft benötigen, benötigen Sie eine Lösung, die alle 3 bietet.

Hydroponik (und ihre eng verwandte Zwillings-Aeroponik) ist eine hervorragende Möglichkeit, Nahrung und Luft bereitzustellen: Sie züchten essbare Pflanzen (insbesondere solche mit grünen Blättern), die beim Wachsen das von Ihnen ausgeatmete CO ₂ verbrauchen und es wieder in atembaren Sauerstoff umwandeln . Algen und bestimmte Bakterien sind derzeit sehr vielversprechend, um diese Rolle sehr gut auszufüllen. Wasser wird recycelt und wiederverwendet, genau wie im Wasserkreislauf der Erde.

Sie können dies durch mechanische und/oder chemische Verfahren ergänzen, die auch das ausgeatmete CO ₂ abbauen und den Sauerstoff wieder in die Schiffssysteme abgeben.

Leider kann keine künstliche Biosphäre zu 100 % effizient sein, noch kann ein Druckbehälter zu 100 % abgedichtet werden, sodass Sie zusätzlich Flaschen mit komprimiertem Sauerstoff mitnehmen müssen, um Verluste auf Ihren Reisen auszugleichen. Sie werden in der Lage sein, kleine Mengen an Wasserstoff und Sauerstoff mit einer Art Widderschaufel zu sammeln , obwohl Sie ohne das Recycling von CO ₂ und Wasser an Bord nicht genug sammeln können, um zu überleben.

Wenn Ihr Schiff zum nächsten Sternensystem reist, ist das so ziemlich alles; Wenn Sie auf dem Weg an anderen Sternen anhalten können (was immer ein großer Umweg sein wird, aber für eine ausreichend lange Reise dennoch erforderlich sein kann), können Sie wahrscheinlich Grundmaterialien innerhalb des Systems ernten, aber es wird schwierig, teuer, zeitaufwändig und verlassen Sie sich auf mehr als 99,999 % Ihrer gesamten Reise darauf, eine Menge schwerer Ausrüstung mit sich zu führen, die nur Platz und Masse beansprucht.

Das Schiff

Ein Generationsschiff, das eine Million Menschen auf unbestimmte Zeit befördert, muss mindestens 550.000.000 Liter transportieren oder erzeugen$O_2$pro Tag. Gemischt, um den Verhältnissen der Erdatmosphäre zu entsprechen, in denen$O_2$21% der Luft ausmacht, das ist eine minimale Atmosphärenkapazität von 2.620.000.000 Litern.

Geht man von einem klassischen rotierenden Zylinderschiff aus, ist das ein Zylinder mit einer Länge von etwa 3.000 km und einem Durchmesser von 1.050 km. Ein solches Schiff hätte eine Innenfläche von 11.700.000$km^2$, also etwas zwischen Kanada und der Antarktis in der Größe. Auch dies ist das absolute Minimum – d. h. null Redundanz, null Verschwendung, null Verlust – um eine Million luftatmende Erwachsene zu unterstützen.

Das interstellare Medium

99 Massenprozent des interstellaren Mediums sind Gas, davon 70 Prozent Wasserstoff und 28 Prozent Helium. Sauerstoff macht Spurenmengen aus – weniger als 1.000 Moleküle pro$cm^3$im besten Fall; nicht genug, um unterwegs zu ernten , um einen Unterschied zu machen. Abgesehen von der Fusion dieser H- und He-Moleküle müssen Sie den gesamten Sauerstoff, den Sie benötigen, in der einen oder anderen Form mitbringen.

Der Sauerstoffkreislauf

Glücklicherweise brauchen auch Menschen – und Pflanzen – Wasser zum Leben, und Wasser enthält Sauerstoff.

Um diese Menschen am Atmen zu halten, müssen Sie den natürlichen Sauerstoffkreislauf auf der Erde simulieren oder annähern:

Insbesondere die Wasserstoff- und Sauerstoffschritte. Die einzigen Inputs, die dieses System benötigt, sind photosynthesefähiges Licht, das künstlich erzeugt werden kann, und das Nachfüllen von verlorenem Wasserstoff.

Lass es wachsen

Aus demselben Wikipedia-Artikel, der oben verlinkt ist, macht der Kohlenstoffkreislauf 99 % des Sauerstoffs aus, der im Gestein gespeichert ist; Ihr Schiff muss so viel Sauerstoff produzieren und zirkulieren wie möglich und kann den Platz und die Masse, die eine Krustenersatzmenge an Gestein und Mineralien erfordern würde, oder die Zeit nicht rechtfertigen, sodass dieser Schritt umgangen werden muss.

Die „lichtabhängige Reaktion“ im obigen Diagramm ist die Photosynthese – Pflanzen verbinden sich$6CO_2$(Kohlendioxid) mit$6H_2O$(Wasser) und Licht zu erzeugen$C_6H_{12}O_6$(Zucker – Glukose) und$6O_2$(Sauerstoff).

Auf der Erde produziert der Amazonas mehr als 20 % des gesamten Sauerstoffs durch Photosynthese – 20 % von 165.000.000.000.000 Litern; siehe Tabelle 2 im obigen Link – in einem Gebiet von ungefähr 5.500.000$km^2$. Das ist Zehntausendmal mehr Sauerstoff als Sie benötigen, produziert in einer Fläche, die halb so groß ist wie der beschriebene Zylinder.

(Es gibt einen anderen Weg, Sauerstoff zu produzieren, der als Photolyse bezeichnet wird – UV-Lichtbrechung$H_2O$in seine Bestandteile;$H_2$zu absorbieren/sammeln, freier Sauerstoff verbindet sich mit$O_2$– aber auf der Erde produziert es nicht einmal 0,001% des$O_2$wir atmen, also sollten wir es wahrscheinlich nicht in diese Situation einbeziehen.)

Sie werden auf dem Weg absolut keine frische Luft sammeln. Elemente werden recycelt und Atome (einschließlich Sauerstoff) immer wieder verwendet. Idealerweise müssen Sie nur Energie hinzufügen . Andere Verluste müssen bewältigt werden, damit Sie genügend Atome mit sich führen. Bei hoher Geschwindigkeit ist ein Nachschub unterwegs unmöglich, selbst wenn Sie etwas im interstellaren Raum passieren würden. Verlangsamen ist der Großteil Ihres Energiebudgets, also tun Sie das nur einmal, wenn Sie ankommen.

Ein geschlossenes Lebenserhaltungssystem ist entweder eine ausgeklügelte chemische Fabrik oder ein kleines Ökosystem. Da Sie 100 Millionen Menschen angegeben haben, ist das ein ziemlich großer Maßstab und definitiv ein Ökosystem .

Sie wollen unbedingt geschlossene Kreisläufe, die sich im Allgemeinen selbst erhalten und regulieren sowie Komponenten reparieren und nachbauen. Sie wollen eine massive Redundanz kleiner Einheiten, keine riesigen Maschinen.

Wir sprechen also von lebenden Organismen. Wenn ein Nanofab konstruiert wird, ist es strittig, dass es sich um etwas anderes als ein Bakterium oder eine andere Zelle handelt, da es alle hervorstechenden Merkmale mit dem natürlichen Leben teilt.

Sie möchten Teiche, die sich selbst zirkulieren, keine komplexen Pumpen und Rohre. Alles wird am Ende aussehen wie wild lebende Tiere , einschließlich „Bäume“ und „Pilze“, die tatsächlich technische Technik sind, und ein großer Teil der Sauerstoffproduktion wird durch Meeresalgen erreicht.

Algea Aero/Hydroponik wächst schnell genug, ernährt Ihre Bevölkerung, reinigt CO2 und produziert Sauerstoff...

Aber wirklich, Wasserstoff, Sauerstoff und/oder Wasser ist überall im Weltraum, Ihr Schiff könnte sogar mit einem Fusions-/Spaltungsreaktor betrieben werden, der Wasser, Energie und Sauerstoff produziert.

Per Definition ist ein Generationenschiff während seiner gesamten Reise in sich geschlossen. Wenn harte Wissenschaft verwendet wird, muss das System mit sehr wenigen Ausnahmen vollständig geschlossen sein, mit geringen oder keinen Verlusten. Dazu gehört O2. Recyceln. Jedes mögliche O2-Molekül muss seinen Weg zurück finden. Ja, man sollte auch Rost in seine Vermutungen mit einbeziehen...

Natürlich müssen auch alle Recyclingsysteme geschlossen sein, alle Abfallprodukte und Katalysatoren irgendwo wiederverwertbar sein, sonst gehen DIE zu Ende.

Daher die Schwierigkeit mit Systemen mit geschlossenem Regelkreis ...

ODER, wenn Sie die Wissenschaft Ihrer Fiktion erweitern, können Sie Sauerstoff als Nebenprodukt von Fusion/Spaltung erhalten ...

Atom-U-Boote verfügen heute über Systeme, die Kohlendioxid aus der Luft entfernen können, sogenannte Scrubber. Allerdings stellen sie ihren Sauerstoff durch Elektrolyse von Wasser her, und ein Raumschiff kann das nicht. Es gibt eine Reihe neuerer Technologien, die entwickelt werden, um Kohlendioxid aus der Atmosphäre einzufangen, einschließlich transparenter Röhren voller photosynthetischer Algen (an der University of Kentucky), um den Raum so effizient wie möglich zu nutzen.

Ihr Raumschiff muss die Kohlenstoff- und Sauerstoffatome an Bord recyceln, da es sie nicht ersetzen kann. Das bedeutet, dass ein Prozess verwendet wird, der Energie verbraucht, um Kohlendioxid und andere Abfallprodukte in Sauerstoff und nützliche organische Moleküle wie Lebensmittel umzuwandeln. Dies können Pflanzen sein, wie auf der Erde, oder es könnte chemische Verfahrenstechnik sein, um im Wesentlichen die gleichen Endprodukte herzustellen. Beispielsweise kann ultraviolettes Licht Kohlendioxid in Kohlenstoff und Sauerstoff spalten , oder es ist möglich, Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff zu verwenden, um komplexe organische Moleküle zu synthetisieren. Die meisten Raffinerien benötigen fossile Brennstoffe als Ausgangsmaterial, aber es kann jetzt auch mit Strom, Wasser und Kohlendioxid getan werden, um „blaues Rohöl“ herzustellen.

Sauerstoff ist nicht das einzige Problem bei der Schaffung einer atmungsaktiven Umgebung.

Diese Antwort verwendet nur derzeit machbare oder vorhandene Technologien

Während die Astronauten in den Gemini- und Apollo-Programmen bis zu zwei Wochen lang problemlos 100 Prozent Sauerstoff bei reduziertem Druck atmeten, ist das Atmen von reinem Sauerstoff bei erdgleichem Druck medizinisch nicht ratsam (denken Sie daran, dass diese Astronauten speziell trainiert und in bester körperlicher Verfassung waren). . Die Erdatmosphäre besteht nur zu etwa 20 % aus Sauerstoff, daher hat sich unser Körper angepasst.

Sauerstofftoxizität ist ein sehr reales Risiko in der bemannten Raumfahrt (Reiner Sauerstoff ist auch hochexplosiv). Dementsprechend legen die meisten modernen Raumfahrtmissionen (wie ISS-Missionen, Skylab, Space Shuttles und Orion MPCV) großen Wert auf die Einführung von Verdünnungsmitteln Stickstoff sowie Sauerstoff (Ausnahme: Druckanzüge verwenden reinen Sauerstoff bei niedrigstem Fülldruck).

Sauerstoff ist weitgehend recycelbar, viele andere Kommentare haben gute Techniken für seine Wiederverwertung skizziert. Sauerstoff ist mit ~1,04 % der Masse das dritthäufigste Element in der Milchstraße, sodass kleinere Schiffe entsandt werden könnten, um es zu sammeln und zu dem größeren Lebensraumschiff mit 100 Millionen Menschen darin zurückzukehren.

Es gibt einige realistische Lösungen zum Verdünnen von Sauerstoff, aber sie haben Kompromisse

Stickstoff, das siebthäufigste Element, ist 1/10 so häufig wie Sauerstoff mit ~0,096 % der Masse, was es unrealistisch machen würde, es während der Raumfahrt zu sammeln, und ist relativ schwer im Vergleich zu Helium und Wasserstoff, ~7- bzw. 14-mal schwerer .

Helium wird als Verdünnungsmittel in einigen Tieftauchgeräten (alias Heliox) verwendet. Helium kommt in der Milchstraße sehr häufig vor (zweithäufigstes Element mit ~24 % der Masse). Es gibt jedoch 3 signifikante, aber lösbare Probleme mit Helium aufgrund seines niedrigen Molekulargewichts. 1) Es ist nicht zum Aufblasen von Trockentauchanzügen geeignet (schlechte Wärmeisolierung). 2) Es beeinträchtigt die Kommunikation , hemmt sie jedoch nicht (die Schallgeschwindigkeit ist in einem Gas mit niedrigerem Molekulargewicht höher, was die Resonanzfrequenz der Stimmbänder erhöht). 3) Das wahrscheinlich problematischste, aber immer noch lösbare Problem ist, dass Heliumlecks viel häufiger auftreten als andere Gase. Heliumatome sind kleiner, sodass sie kleinere Lücken in Dichtungen passieren können.

Wasserstoff ist mit ~74 % der Masse das häufigste Element in der Milchstraße und wurde in Tieftauchgasmischungen (auch bekannt als Hydrox) verwendet, ist aber sehr explosiv, wenn es mit mehr als etwa 4 bis 5 % Sauerstoff gemischt wird. Die Verwendung von 4 bis 5% Sauerstoffmischungen ist auf tiefe Tauchgänge beschränkt (hat auch die gleichen Kommunikationsprobleme wie Helium). Sie könnten ein sicheres 5-%-Sauerstoffgemisch in einer Hochdruckkabinenumgebung verwenden (Nebenwirkungen treten auf) oder eine Art Maske haben, die einen Teil des Wasserstoffs beim Atmen herausfiltert, sodass das in den Körper eintretende Gemisch genügend Sauerstoff enthält, die Umgebung jedoch nicht sehr instabil. (Sie könnten eine ~20% Sauerstoffmischung verwenden und nur sicherstellen, dass absolut nichts es auslöst)

Sauerstoff Nur wenn ein Verdünnungsmittel absolut nicht verwendet werden kann, gibt es mehrere Möglichkeiten. Der Betrieb bei etwa 1/3 des atmosphärischen Drucks der Erde würde das Leben einiger Passagiere in bester körperlicher Verfassung erhalten, aber andere würden entweder Atemversagen oder Zustände wie venöse/vaskuläre Luftembolien, pulmonale Sauerstofftoxizität, oxidativen Stress erleiden, der bestehende Zustände verschlimmert , Retinopathie, Hypoxie, obstruktive Lungenerkrankung. Der reine Sauerstoff ist bereits bei niedrigeren Drücken hochexplosiv.

Kleine Anmerkung zum Feuchtigkeitsgehalt

Gas wird im Allgemeinen zur Lagerung komprimiert, wodurch ihm Feuchtigkeit entzogen wird, obwohl es normalerweise nicht tödlich ist, es jedoch zu Austrocknung führt, also ist es wahrscheinlich am besten, die Luft wieder zu befeuchten.

Haftungsausschluss: Ich bin kein Tauchlehrer. Wenn Sie beabsichtigen, diese Informationen zum Tauchen zu verwenden, wenden Sie sich bitte zuerst an einen Tauchlehrer. Die präsentierten medizinischen Informationen sind zusammengefasst, konsultieren Sie einen Arzt. Verwenden Sie dies nicht als medizinischen Rat oder Meinung

https://en.wikipedia.org/wiki/Life_support_system#Atmosphere https://en.wikipedia.org/wiki/Abundance_of_the_chemical_elements#Universe https://en.wikipedia.org/wiki/Breathing_gas#Helium https://en .wikipedia.org/wiki/Breathing_gas#Hydrogen https://www.sae.org/publications/technical-papers/content/2005-01-2896/

Sie müssen einige Gesetze der Physik dehnen

Wenn Sie ein echtes Weltraumschiff wollen (z. B. nichts um Sie herum, nicht einmal Asteroiden, für Hunderte von Lichtjahren) , ist Ihre Crew dem Untergang geweiht . Irgendwann wird Ihr Schiff Energie in Form von Strahlung in den Weltraum um Sie herum abgeben, die sich mit der Zeit summieren wird. Darüber hinaus werden Sie im Gegensatz zum Vakuum des Weltraums kleine molekulare Gase direkt durch Ihre Hülle verlieren ! Dieser Verlust wird hauptsächlich in Form von Wasserstoff auftreten, den Sie nicht sehr vermissen werden, bis Ihre Wasservorräte zur Neige gehen.

Wenn wir die Wissenschaft ein wenig dehnen...

Vielleicht könnten Sie einen Weg finden, Asteroiden und sogar Schurkenplaneten außerhalb von Sonnensystemen zu entdecken und zu verfolgen. Sie nehmen diese Quellen auf und verarbeiten sie, während Sie die Vorräte auffüllen. Da es sich um ein Generationenschiff handelt, sind die Planeten, auf die Sie stoßen, vermutlich nicht für die menschliche Besiedlung geeignet, aber sie könnten immer noch Eis und andere Elemente / Mineralien enthalten, die Sie benötigen. Ein reales Beispiel für einen solchen Planeten wäre Europa.

Was das grundlegende Problem betrifft, dass Ihre Energiequellen irgendwann zur Neige gehen werden ... nun, ich werde es nicht erwähnen, wenn Sie es nicht tun.