Πόσιμο νερό από ούρα σε Σελήνη και Άρη

Τα ούρα ανακυκλώνονται. Διαβάζοντας κανείς την πρόταση αυτή, πρώτη σκέψη του ίσως δεν είναι πως πρόκειται για μία επιστημονική μέθοδο, χάρη στην οποία ο κόσμος μπορεί να γίνει καλύτερος. Προχωρώντας στο ότι η διαδικασία της ανακύκλωσης παράγει πόσιμο νερό, ίσως κάποιος να είναι διστακτικός στην προοπτική να καταναλώσει το νερό αυτό. Πολλά βήματα παραπέρα, μαθαίνοντας πως τα ανακυκλωμένα ούρα μπορούν να εξασφαλίσουν την παραμονή των ανθρώπων στο διάστημα, ο οποιοσδήποτε θα αναρωτηθεί αν πρόκειται για σενάριο ταινίας επιστημονικής φαντασίας. Κι όμως πρόκειται για μία σημαντικότατη ελληνική επιτυχία στη έρευνα του Διαστήματος, την οποία υπογράφουν επιστήμονες του Τμήματος Χημείας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, οι οποίοι είχαν καθοριστική συμβολή στον σχεδιασμό της αποστολής του καινοτόμου συστήματος Ηλεκτροχημικής Οξείδωσης της Αμμωνίας (ΗΟΑ) στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ΔΔΣ), στο πλαίσιο έργου χρηματοδοτούμενου από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος.

Το σύστημα Ηλεκτροχημικής Οξείδωσης της Αμμωνίας από τη συλλογή υγρών ανθρωπογενών λυμάτων, το οποίο μεταφέρθηκε στον Διαστημικό Σταθμό, έχει σκοπό την ανάκτηση νερού και την παραγωγή αέριου αζώτου από τα ανθρώπινα ούρα σε αποστολές μεγάλης διάρκειας στη Σελήνη και τον Άρη. Αποτελεί μέρος των τεχνολογιών που μεταφέρθηκαν στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό με την αποστολή του μη επανδρωμένου σκάφους ανεφοδιασμού Northrop Grumman Cygnus (Κύκνος), που εκτοξεύτηκε την Παρασκευή 2 Οκτωβρίου 2020. Το σκάφος προσέγγισε τον Διαστημικό Σταθμό τη Δευτέρα 5 Οκτωβρίου 2020, μεταφέροντας περίπου 4 τόνους εφόδια, πειραματικό εξοπλισμό και τεχνολογίες επίδειξης.

Πώς όμως γίνεται η… διαστημική ανακύκλωση ούρων;
Η Ομάδα Δυναμικής Πολυφασικών Συστημάτων του Εργαστηρίου Χημικής και Περιβαλλοντικής Τεχνολογίας, με επικεφαλής τον καθηγητή του Τμήματος Χημείας του ΑΠΘ Θοδωρή Καραπάντσιο, και το Εργαστήριο Αναλυτικής Χημείας, με επικεφαλής τους καθηγητές του Τμήματος Χημείας του ΑΠΘ Γεώργιο Ζαχαριάδη και Αριστείδη Ανθεμίδη, συνέβαλαν σημαντικά στον σχεδιασμό της αποστολής του συστήματος ΗΟΑ, καθώς ανέπτυξαν μεθοδολογία για την ακριβή on-line μέτρηση της συγκέντρωσης αμμωνιακών ιόντων στα ανθρωπογενή λύματα σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας.

Οι συνθήκες έλλειψης βαρύτητας κάθε άλλο παρά ευνοούν τη διαδικασία της ανάκτησης νερού, αρκεί να σκεφτεί κανείς πως σε ένα δοχείο στη Γη τα υγρά και τα αέρια διαχωρίζονται με τη βαρύτητα. “Όποια γνώση υπήρχε στο έδαφος για την ανάκτηση νερού από τα ανθρωπογενή λύματα, είναι πολύ πιο δύσκολο να εφαρμοστεί στο διάστημα σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας”, εξήγησε στο ΑΠΕ-ΜΠΕ ο κος Καραπάντσιος, ο οποίος είναι και εθνικός εκπρόσωπος στον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος.

Για να ξεπεράσει τις δυσκολίες αυτές, η ομάδα του ΑΠΘ μελέτησε επί δύο χρόνια 34 διαφορετικές -εμπορικά διαθέσιμες αλλά και πρωτότυπες πειραματικές- τεχνολογίες μέτρησης των αμμωνιακών ιόντων σε συνθήκες διαστήματος. Αξιοποιώντας κάποιες από αυτές και προσαρμόζοντάς τες στις συνθήκες του διαστήματος, η μεθοδολογία που προτάθηκε τελικά, η οποία επιτρέπει την ακριβή και χωρίς προβλήματα αυτοματοποιημένη μέτρηση των αμμωνιακών ιόντων on-line στον ΔΔΣ, αποτελεί ένα υβριδικό σύστημα που συνδυάζει τεχνολογία εκλεκτικών ηλεκτροδίων με αναλυτές ροής διαδοχικής έγχυσης σε συνδυασμό με φθορομετρικό αισθητήρα.

Τα αμμωνιακά ιόντα προκύπτουν από την ουρία ως απόβλητο προϊόν του ανθρώπινου μεταβολισμού. Σύμφωνα με τα κριτήρια ποιότητας του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος για το πόσιμο νερό σε διαστημικές αποστολές, η συγκέντρωση των αμμωνιακών ιόντων δεν μπορεί να ξεπερνά το 0.5 ppm (μέρη βάρους στο εκατομμύριο). Για να μπορέσει να επαναχρησιμοποιηθεί το νερό των λυμάτων, πρέπει απαραίτητα να απομακρύνονται τα αμμωνιακά ιόντα, αφού προηγουμένως προσδιοριστεί συστηματικά και με ακρίβεια η συγκέντρωσή τους στα λύματα.

“Υπήρχε έλλειψη εμπειρίας και τεχνολογίας για τον διαχωρισμό στο διάστημα, ενώ τέθηκαν μεγάλοι περιορισμοί σε ό,τι αφορά την κατανάλωση ενέργειας, ή την μη παραγωγή τοξικών προϊόντων και όλα αυτά έκαναν πολύ σύνθετο το εγχείρημα”, σημείωσε ο κ. Καραπάντσιος.

Για τη μελέτη και επαλήθευση της συγκεκριμένης τεχνολογίας που πρότεινε η ομάδα του ΑΠΘ αναλύθηκαν προσομοιωμένα δείγματα λυμάτων του ΔΔΣ αλλά και πραγματικά λύματα από τον σταθμό Concordia του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος στην Ανταρκτική. Έτσι η πρόταση ικανοποίησε όλα τα κριτήρια που τέθηκαν από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος αναφορικά με τον όγκο και το βάρος της διάταξης, τον όγκο των δειγμάτων, τη συχνότητα των μετρήσεων, τη διάρκεια της ανάλυσης καθώς και τον όγκο των αντιδραστηρίων και των παραγόμενων παραπροϊόντων της ανάλυσης.

Ερωτηθείς για το μέλλον της τεχνολογίας που αναπτύχθηκε, ο κος Καραπάντσιος απάντησε: “Αποτελεί πραγματικά μια καινούρια νοοτροπία το να ανακυκλώνουμε τα ούρα. Είχαμε συνειδητοποιήσει ότι μπορούσαμε να ανακυκλώσουμε αναπνεύσιμα, συμπληρώματα από κλιματισμό. Στο μέλλον θα είναι δυνατή και ανακύκλωση κοπράνων. Όμως σήμερα φτάνουμε μέχρι τα ούρα, όπως και τα νερά από πλύσεις μπάνιου, τα γκρίζα νερά. Άρα εκεί βρισκόμαστε, είναι μια καινούρια γενιά τεχνολογίας που καθαρίζει και ανακτά το νερό από τα ανθρωπογενή λύματα”.

Ο κος Καραπάντσιος στάθηκε ιδιαίτερα στην σημασία της συνεργασίας με τους συναδέλφους του, εξηγώντας πως “είμαστε ικανοί να συνεργαζόμαστε και να παράγουμε συνεργατικά και αυτό είναι πάρα πολύ σημαντικό, γιατί οι σημερινές τεχνολογίες απαιτούν τη συνεργασία, δεν αρκεί… ένας κούκος”.

Η μεθοδολογία μπορεί στο μέλλον να παρέχει πόσιμο νερό και σε απομακρυσμένες και άνυδρες περιοχές στη Γη. Η τεχνολογία αυτή αναπτύχθηκε από την εταιρία NanoRacks LLC στις ΗΠΑ σε συνεργασία με τη NASA και το Πανεπιστήμιο του Πουέρτο Ρίκο.

Καινούρια τουαλέτα στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό
Η αποστολή που μετέφερε την τεχνολογία του ΑΠΘ στο διάστημα ήταν η 14η πτήση φορτίου της εταιρείας Northrop Grumman προς τον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Το σκάφος θα παραμείνει στον διαστημικό σταθμό μέχρι τα μέσα Δεκεμβρίου, προτού απορρίψει αρκετές χιλιάδες κιλά σκουπίδια, καθώς θα καίγεται, κατά τη διάρκεια μιας ασφαλούς επανεισόδου στην ατμόσφαιρα της Γης.

Ο Cygnus μετέφερε προς τον Διαστημικό Σταθμό εκτός από την πειραματική διάταξη του ΑΠΘ διάφορα συστήματα υποστήριξης της ζωής, μεταξύ των οποίων μια νέα διαστημική τουαλέτα, με στόχο την ευκολότερη χρήση από τους αστροναύτες και τη βελτιωμένη λειτουργία σε μελλοντικές αποστολές, μία μονάδα αυτοματοποιημένης Διαχείρισης και Αποθήκευσης Αποβλήτων για εξυπηρέτηση μεγαλύτερου αριθμού μελών του πληρώματος στον Διαστημικό Σταθμό καθώς και σε μελλοντικές αποστολές, σύστημα μελέτης και αξιολόγησης της θρεπτικής αξίας και των παραμέτρων ανάπτυξης φυτών στο διάστημα, με στόχο την αυτόνομη ανάπτυξη φυτών για διατροφικούς σκοπούς σε μελλοντικές αποστολές μεγάλης διάρκειας, όπως, για παράδειγμα, το ταξίδι στη Σελήνη και τον Άρη, σύστημα αξιοποίησης της μικροβαρύτητας για τη μελέτη καρκινικής ανοσοθεραπείας κ.λπ.

“Η διάταξη του HOA θα παραμείνει στον διαστημικό σταθμό, θα λειτουργεί και θα έχουμε τις on-line μετρήσεις. Είναι σημαντικό επίσης ότι με την αποστολή αυτή πλέον θα μπορούν να λειτουργούν ταυτόχρονα δύο τουαλέτες, ενώ η καινούρια τουαλέτα μπορεί να καθαριστεί πιο εύκολα και προσφέρει μεγαλύτερη άνεση, καθώς λαμβάνει υπόψη ότι ο τρόπος που κάθεται ο κάθε άνθρωπος είναι διαφορετικός”, διευκρίνισε ο κ. Καραπάντσιος.

Πηγή: ΑΠΕ-ΜΠΕ