Astronauten van de toekomst die door dorre, buitenaardse landschappen reizen, zullen dit binnenkort wellicht kunnen doen met minder angst of zonder water komen te zitten – of onhandig rondklotsen in hun eigen urine – dankzij een nieuwe Duingeïnspireerd urinefiltratiesysteem. Een klein rugzakachtig apparaat, gemaakt door onderzoekers van Cornell University, en vandaag in detail beschreven in Grenzen in de ruimtetechnologie, het zou ontdekkingsreizigers kunnen helpen langere ruimtemissies uit te voeren zonder de noodzaak van zware, omvangrijke watervoorraden. Het zou ook kunnen helpen de huidige aanpak van astronauten ten aanzien van het omgaan met biologisch afval, dat in wezen een grote luier voor volwassenen is, te moderniseren.
Het nieuwe apparaat zou een kleine siliconenkatheter gebruiken om de urine van een astronaut onmiddellijk te identificeren en te absorberen. Een ingebouwd, geïntegreerd systeem voor omgekeerde en voorwaartse osmose filtert gifstoffen eruit en bewaart de resterende vloeistof als veilig drinkwater. Als dit lukt, zeggen de onderzoekers dat het nieuwe filtersysteem astronauten zou voorzien van een “continue aanvoer van drinkwater” waarmee ze hun omgeving zouden kunnen verkennen zonder zware watervoorraden te hoeven slepen. Die gestroomlijnde mobiliteit zou van pas kunnen komen, vooral omdat NASA de komende jaren verschillende bemande missies naar de maan plant, waarbij wetenschappelijk onderzoek op de voorgrond komt te staan.
Astronauten hebben te veel urine en te weinig water
Het proces van decomprimeren tijdens een ruimtewandeling is niet glamoureus. De huidige ruimtepakken hebben een zogenaamd “Maximum Absorbent Garment” (MAG) dat ongeveer 300 maal zijn gewicht aan vloeistoffen kan vasthouden. MAG’s, die ondanks hun afgekorte naam in wezen zeer absorberende luiers zijn, kunnen ongeveer twee liter urine, bloed en ontlasting bevatten. Dat klinkt misschien veel, totdat je beseft hoeveel tijd ruimteverkenners buiten het toilet kunnen doorbrengen. Van astronauten wordt verwacht dat ze ongeveer zeven keer per dag moeten plassen, en een typische ruimtewandeling voor reparaties of wetenschappelijk onderzoek duurt gemiddeld zes en een half uur. (Excursies van meer dan acht uur zijn niet ongewoon).
Om het zacht uit te drukken: veel astronauten zijn niet blij met het idee om dat cruciale, vaak lange werk met een doorhangend achterwerk te doen. In sommige gevallen zeggen onderzoekers dat astronauten ervoor hebben gekozen om kleinere, calorierijke lichte maaltijden te eten om de hoeveelheid afval die in hun pakken ontstaat te verminderen. Maar die strategie kan tegelijkertijd hun vermogen om op hun mentale en fysieke best te presteren aantasten. Langdurige tijd doorgebracht in een vuile MAG-luier verhoogt inherent ook de kans op huidirritatie of zelfs infectie.
“Dit is duidelijk een omgeving die niet bevorderlijk is voor optimale prestaties of het behoud van de gezondheid”, schrijven de onderzoekers.
Maar natte luiers zijn slechts de helft van het probleem. Ruimtewandelingen zijn fysiek veeleisende operaties en kunnen gemakkelijk tot uitdroging leiden als astronauten niet goed gehydrateerd zijn. De huidige ruimtepakken zijn uitgerust met een drankzak (IDB) gevuld met slechts 32 ounces water. Eerdere simulaties van astronauten die reageerden op een hypothetische storing van de rover in de ruimte hadden tot gevolg dat astronauten 50% -100% van hun toegewezen watervoorraad binnenkregen. En dat is nu pas. Voor toekomstige geplande Artemis-missies naar de maan en Mars zullen astronauten veel meer tijd moeten besteden aan ruimtewandelingen en verkenningsmissies dan ze momenteel doen. Ze zullen toegang tot veel meer water nodig hebben om in die omgevingen te overleven.
“Astronauten hebben momenteel slechts één liter water beschikbaar in de drankzakjes van hun pak”, zegt Sofia Etlin, onderzoeksmedewerker van Weill Cornell Medicine en Cornell University. “Dit is onvoldoende voor geplande maanruimtewandelingen van langere duur, die tien uur kunnen duren, en in noodgevallen tot 24 uur.”
Cornell-onderzoekers denken dat ze mogelijk een oplossing hebben gevonden met een prototype van een ‘urinecollection device’ (UCD) dat beide problemen tegelijkertijd zou kunnen oplossen. Het apparaat zou de uitwerpselen van de astronauten absorberen, filteren en vervolgens de voedingsstoffen teruggeven om duurzaam drinkwater te creëren. Het proces zou niet specifiek van toepassing zijn op ontlasting of zweet. Al met al zou het hele proces van het filteren van een typische plas van 100-500 ml minder dan vijf minuten moeten duren. Als dit allemaal bekend in de oren klinkt, komt dat waarschijnlijk omdat het apparaat qua concept vergelijkbaar klinkt met de ‘rustige pakken’ die werden gebruikt in de sci-fi-roman van Frank Herbert uit 1965, die een Hollywood-kaskraker werd. Duin. In dit geval zijn de Vrijmannen uit de roman van top tot teen gekleed in stoffen en pijpen die vocht in zeer waardevol water kunnen veranderen. UCD is in vergelijking bescheiden. Het apparaat heeft de vorm van een stevige rugzak, meet 38×23 en voegt acht kilogram extra gewicht toe.
Hoe een urinefiltratieapparaat zou werken
In de praktijk zou het nieuwe filtersysteem de vorige luier vervangen door verschillende lagen stof waardoor urine gemakkelijk kan passeren. In tegenstelling tot het vorige MAG-systeem, dat bedoeld was om grote hoeveelheden urine op te nemen, moet de UCD het tegenovergestelde doen en zo min mogelijk plantenvocht opnemen. Astronauten die het nieuwe systeem gebruiken, zouden een seksespecifieke siliconenkatheter dragen die lijkt op de “beker” die sommige atleten op hun geslachtsdelen dragen. Een RFID-tag die aan de absorberende hydrogel is bevestigd, gebruikt een vochtdetector om te weten wanneer de beker gevuld is met vloeistof. Wanneer de navulling vol is, wordt een vacuümpomp geactiveerd, die de urine naar het filterapparaat transporteert.
Eenmaal geïnitieerd, passeert de urine door een laag antimicrobiële stof voordat deze wordt gepompt om de hoeveelheid contact die deze kan hebben met de huid van de astronaut te beperken. Het apparaat maakt vervolgens gebruik van een geïntegreerd voorwaarts en omgekeerd osmosesysteem om zouten en andere opgeloste stoffen uit de urine te filteren. Het resulterende gezuiverde water wordt uiteindelijk verrijkt met elektrolyten en teruggepompt in het drankzakje van het pak, waar de astronaut een slokje kan nemen. Onderzoekers zeggen dat het filtersysteem urine recycleert tot water met een efficiëntie van 85% en minstens 75% waterterugwinning. Het hele proces wordt aangedreven door een 20,5 volt batterij.
Een eerste prototype voor de UCD is al onderweg. Cornell University hoogleraar fysiologie en biofysica en hoofdauteur van het onderzoek Christopher Mason zegt dat het apparaat kan worden getest in gesimuleerde microzwaartekrachtomstandigheden, vergelijkbaar met wat toekomstige Artemis-astronauten zouden kunnen ervaren. En hoewel het apparaat extra gewicht en een batterij toevoegt die een ruimtepak ingewikkelder zouden kunnen maken, zeggen de onderzoekers dat het compromis op het gebied van hygiëne en wateropslag ‘de moeite waard is’.
Dit is eigenlijk niet het eerste geval waarin sommigen sommige elementen proberen te realiseren DuinStijlvolle pakken. Vorige maand gebruikten ingenieurs van YouTube-kanaal Hacksmith Industries een combinatie van persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM) en reservecomputeronderdelen om een pak te maken dat het zweet van een gebruiker enigszins effectief in drinkwater kan veranderen. In dat geval gebruikten ingenieurs een thermo-elektrische koeler die in het pak was ingebouwd om het omringende vocht in een vloeistof te veranderen. Noch het Hacksmith-prototype, noch het UCD-filterapparaat zijn één-op-één vervangingen voor de paktypes die in de serie worden gepresenteerd Duin maar beide zijn het bewijs dat theoretisch ontwerp dat ooit voorbehouden was aan de dikke pagina’s van sciencefiction een rol kan spelen bij het opnieuw vormgeven van wetenschappelijke inspanningen in de echte wereld.