Przejdź do treści

„Kosmiczna” oczyszczalnia pomoże w uprawach

Anna Jurga

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

Podróże na Marsa i założenie tam stałej kolonii przestają być już tylko tematami filmów i powieści science-fiction i powoli przechodzą w fazę realizacji. Pytanie o lot na czwartą planetę Układu Słonecznego coraz częściej brzmi: Kiedy tam dotrzemy?

Gdy już będziemy na Czerwonej Planecie, kolejnym krokiem będzie powstanie 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 zagadnienia dotyczy praca doktorska mgr Anny Jurgi, którą pisze pod kierunkiem dr. hab. inż. Ryszarda Szeteli i z pomocą dr. Kamila Janiaka z Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej.

Ideą projektu jest opracowanie działającego w warunkach obniżonej grawitacji systemu oczyszczania ścieków wytwarzającego i dostarczającego składniki niezbędne do wzrostu roślin w ramach upraw 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.

Aeroponika to jeden z systemów bezglebowej uprawy roślin. które są umieszczane 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 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 mgr 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 około piętnastu gatunków roślin. 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. 

Reaktor biologiczny oczyszczający wodę będzie miał około dwóch metrów sześciennych objętości, a pojedynczy układ wystarczy dla ośmioosobowej załogi. Naukowcy są jednak ograniczeni m.in. ilością ścieków wytwarzaną 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. 3040 litrów na osobę, a trzeba pamiętać, że część, której nie pobiorą rośliny, będzie oczyszczona w układzie membranowym i skierowana do ponownego użytku – wyjaśnia mgr Anna Jurga.

Kolejnym problemem jest oszacowanie wpływu obniżonej grawitacji na procesy oczyszczania biologicznego ścieków. Niestety, nie da się wykonać symulacji takiego efektu w dłuższym okresie, 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.

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 dość szybko 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 będą bardziej efektywne. Ważne jest również, że nasz projekt może mieć zastosowanie na Ziemi. Jest wiele miejsc na naszym globie, 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.

Źródło: mic/Politechnika Wrocławska

Autor: Paweł Z. Grochowalski

Reklama