Если мы хотим на Марс, нам нужны туалеты получше
Естественные потребности, необходимость их справлять, следуют за человеком везде. Если люди собираются на Марс или добывать на астероидах руду, переработка отходов (опять же, естественных) оказывается очень важной вещью. В замкнутой экосистеме, которой станет капсула, летящая на Красную планету, а после, собственно, и на Марсе, придется перерабатывать все - включая, простите, эцсамое гуано.
Разумеется, NASA усердно пытается решить эти проблемы, поскольку утилизация отходов жизнедеятельности человека представляет собой один из краеугольных камней строительства космического аппарата, который отправится на Марс или еще куда. Межпланетные миссии будут не в состоянии получать помощь с Земли. Ресурсы будут ограничены, а значит придется «замкнуть петлю» - нельзя будет выбросить не то что какулю, фантик какой-нибудь. И любая конструкция космического судна должна будет принимать это во внимание.
«Вам придется начать с системы жизнеобеспечения и выстраивать корабль вокруг нее», - говорит Мак Коэн, президент Astrotecture, консалтинговой фирмы, специализирующейся в космической архитектуре.
Положение дел
Для начала несколько фактов о человеческих отходах. Здоровый человек производит около 128 граммов фекалий в день, или 46,7 килограмма в год, если верить медицинской литературе. В полете на Марс, который может продлиться от двух до трех лет, команда из шести человек (как в «Марсианине») произведет 150 килограммов фекалий.
В эпоху «Аполлона» туалетом был пластиковый мешочек, который на клей усаживался к задницам астронавтов. Моча собиралась в устройстве типа презерватива и выбрасывалась в космос. Во время последнего полета «Меркурия» в 1963 году возникла проблема, связанная с утечкой мочесборника. Короче, мешки не работали. Плавающие человеческие отходы опасны для здоровья, поскольку крошечные кусочки кала или мочи можно вдохнуть, если они будут летать поблизости.
Дон Ретке, отставной инженер Hamilton Standard, ныне работающий в UTC Aerospace Systems, начинал свой путь с NASA: он работал над системой жизнеобеспечения для миссии «Аполлона-13». Он разработал хранилище, которое собирало мочу и фекалии отдельно. Работало оно на основе всасывания - и это важно, поскольку при нулевой гравитации жидкости собираются в шарики и плавают вокруг, а твердые отходы просто не ссыпаются в воронку. Моча собиралась в устройство по виду как чаша, а твердые штуковины всасывались в контейнер и подвергались воздействию вакуума, эффективно замерзая и сжимаясь. «Мы называли их фекальными пирожками», - говорит Ретке.
Туалет на шаттле
Вариация такого дизайна имеется на Международной космической станции, кроме двух крупных отличий: моча обрабатывается таким образом, что воду можно извлекать и использовать повторно, а новая система не замораживает какашки насухо. (Система переработки МКС также извлекает влагу из воздуха, представленную в основном потом и чихами астронавтов). Твердые отходы просто возвращают обратно. На МКС они хранятся в пластиковых или металлических контейнерах. Наполнив, астронавты грузят их на отработанный русский «Прогресс», отстыковывают от МКС и позволяют упасть и сгореть в атмосфере вместе с прочим мусором со станции. (Вспомните об этом, когда увидите падающую звезду и решите загадать желание).
Выбрасывать какашки через шлюзовый отсек не вариант по нескольким причинам. Одна: если выбросить что-то с космического аппарата, оно не улетит далеко без существенного толчка. Поэтому вы если выбросите «оно» наружу, то оно будет повторять вашу траекторию - мусор будет преследовать вас до Марса. А чтобы вытолкнуть «оно» подальше, придется также открыть шлюз с воздухом, обеспечив своего рода взрывную декомпрессию. Пустая трата воздуха.
Есть еще проблема траектории - если даже выбросить мусор на определенной дистанции, его части могут дрейфовать в разных точках вокруг судна, выйдя на непредсказуемые орбиты. (Во времена эпохи шаттлов и «Аполлонов» никого не удивляло, когда космический аппарат встречался с облаками кристаллов мочи, которые выбрасывались раньше). В итоге выброс контейнера позади корабля будет крайне опасным. «Когда вы рядом с целью, вы хотите осуществить резкую остановку, - говорит Джон Фишер из Исследовательского центра Эймса при NASA, написавший несколько работ по переработке отходов в космосе. - Если вы ударите по тормозам, он влетит вам в зад». Даже килограммовый пакет, попадающий в замедляющийся космический аппарат, может приложить значительную силу.
Туалет на МКС
Вторая проблема в том, что некоторые человеческие фекалии - уже замороженные космосом - вероятно, вернутся на корабль; в отсутствие существенного толчка, какашки просто будет летать рядом. Они же, уже в порошковой кристаллической форме, осядут на окнах, говорит Фишер. Оптические датчики тоже будут ослеплены. В отличие от птичьего помета на лобовом стекле, у астронавтов не будет возможности соскрести все это добро.
Выходит, его придется хранить, говорит Ретке. На расцвете эпохи шаттлов думали бросать гуано в холодильник, чтобы сдержать рост бактерий. «Это потребует энергии, а также излишков в виде запасной системы на случай отказа основной», говорит он.
Кроме того, выбрасывать кал экипажу судна очень не хочется - в нем слишком много полезного. Он на 75% состоит из воды, также в его составе бактерии нашего кишечника и человеческие клетки. 80% массы кала представляют органические молекулы, содержащие углерод соединения. На четверть он состоит их бактериальной биомассы, еще на четверть из белка, остальное - непереваренное растительное вещество (клетчатка по большей части) и немного жира. Органические химические вещества и вода - на вес золота в космосе.
На Марсе человеческие отходы как минимум будут хорошим удобрением для выращивания пищи, говорит Ретке. «Я бы сбрасывал их в грибной отдел - и пусть Марс позаботится об этом».
Переработка и повторное использование
Кал людей не единственное, что подлежит утилизации. Люди производят много мусора. Все это добавляет сложности к проблеме переработки и повторного использования. Любые машины, которым придется этим заниматься, должны быть легкими, поскольку запуск чего-либо на орбиту влетает в копеечку, тысячи долларов за килограмм. Эти машины также должны быть небольшими, поскольку в космическом модуле места не так уж много. Они должны быть надежными и ремонтопригодными, поскольку сантехника с инструментом по дороге с Земли на Марс обычно не встретишь.
Туалет на «Союзе»
Джей Перри, ведущий аэрокосмический инженер систем жизнеобеспечения и контроля окружающей среды в Центре управления космическими полетами Маршалла, говорит, что проектировать подобные системы сложно. Взять, к примеру, мочу: на Земле выделить из мочи воду несложно, но в невесомости ситуация совершенно меняется.
К примеру, кости невесомых астронавтов теряют массу и плотность, поскольку на них нет нагрузки. Поэтому астронавты на МКС соблюдают строгий режим упражнений. Костная масса истончается, поскольку кальций из нее утекает с мочой. Это накладывает ограничение на количество воды, которое можно извлечь, поскольку в итоге останется концентрированный рассол, «с которым не очень хочется иметь дело». Исследование United Technologies Aerospace Systems 2013 года показало, что кальций образует в почках мелкие камни, которые могут засорять клапаны туалета.
С калом человека проблемы похожие, как из-за нулевой гравитации, так и из-за того, какие химические вещества вы хотите сохранить. Добавьте к этому вопрос необходимой энергии и сложности системы, которую вы хотите построить. Исследование United Technologies, к примеру, отметило, что современные космические туалеты используют машины для сжатия кала. Это добавляет сложности - вместо этого авторы исследования предложили ручной рычаг, который не будет требовать энергии (за исключением приложенной силы руки члена экипажа).
Хотя в фекалиях много полезных химических веществ, выделить их весьма непросто. Химические туалеты не подойдут, потому что химические соединения, которые они используют для расщепления отходов, тоже нужно будет отправлять с астронавтами. Для путешествия длиной в пару лет потребуются сотни или тысячи литров этого синего вещества, по большей части состоящего из воды - потому что эффективным оно будет лишь в присутствии больших объемов воды, которая будет использоваться в туалетах, что само по себе не очень эффективно. Септики (отстойники) требуют гравитации для работы - и придется все равно где-то хранить каловые массы.
Ретке говорит, что предпочитаете природную биодеградацию; просто позволить фекальным вещества (и всему остальному - «менструальным отходам, рвотным массам, все оно там») в хранилище ферментироваться в металлическом контейнере в присутствии активированного угля для устранения амбре. Контейнер может испускать газ - почти весь из диоксида углерода - с которыми хорошо справятся скрубберы космического аппарата. Ретке даже построил такое устройство. «Я поставил его себе на стол на пару месяцев, - говорит он. - Никто не заметил». Как только астронавты доберутся до Марса, содержимое контейнеров можно будет пустить на удобрения. Обратной стороной будет хранение - придется увеличивать изначальные объемы.
И тут вы, возможно, будете ржать, но кал может обеспечить хорошую защиту от радиоактивного излучения. В космосе есть два источника ионизирующего излучения, которое вредит астронавтам. Одно это фон галактических космических лучей. Другое это солнечные бури. Оба процесса включают заряженные частицы, по большей части протоны.
Российский туалетный модуль на МКС
Астронавтам на МКС эти источники радиации побоку, поскольку они находятся под защитой магнитного поля Земли. Но как только астронавты покинут это поле, космические лучи начнут провоцировать рак, а солнышко - неистово облучать.
Самым эффективным щитом является твердый водород, поскольку этот элемент с легкостью отражает летящие частицы. Но твердый водород недоступен за пределами газового гиганта, а жидкий водород сложно поддерживать: нужны высокие давления или криогенные температуры. Следующим в списке идет вода, в которой много водорода, или полиэтилен. Металлическое экранирование свинцом, например, которое хорошо защищает от гамма- и рентгеновских лучей, хуже чем ничего, поскольку протоны сталкиваются с атомами в металле и порождают каскад других частиц, создавая еще более вредоносное излучение.
Джек Миллер, физик-ядерщик из Национальной лаборатории Лоренса Беркли, вместе с Майклом Флинном и Марком Коэном из Исследовательского центра Эймса при NASA, провел эксперимент, чтобы увидеть, насколько хорошо человеческие отходы могли бы экранировать радиацию. Они не могли использовать реальные отходы, но взяли имитацию какашек из арахисового масла, пропиленгликоля, подорожника, соли, мочевины, дрожжей и еще кое-чего. Задача точно повторить химические вещества кала не стояла; они хотели что-то грубое вроде него, чтобы была вода и поглощалась радиация с частицами.
Испытуемую массу поместили под пучок частиц, чтобы увидеть, насколько хорошо она абсорбирует энергию летящих протонов. Этот пучок был энергетически похож на космические частицы. Фекальный симулятор поглотил определенное количество энергии, и ученые обнаружили, что толщина имеет значение. Слишком тонко - и возникает проблема с экранированием похуже той, что у металлов - рожденные космосом частицы порождают каскады. Однако удалось подсчитать, что фекальный щит толщиной в 8-11 дюймов может существенно срезать радиацию. Это хороший результат, хотя Миллер и отметил, что все не так просто.
Не забывайте, что в космическом пространстве есть два типа излучения: солнечное и космические лучи. Космические лучи переносят в пять раз больше энергии, чем солнечные частицы, и повышают риск развития рака. (В правилах NASA сказано, что рост риска для астронавтов не должен превышать 3% от общего фона). Фекальный симулятор не смог их остановить, но это предвиделось. Энергия космических лучей настолько высока, что они просто пролетают через все. Поэтому придется снижать риск до предела допустимого максимума.
Другая проблема заключается в том, что вы просто не можете положить какашки в запечатанные пакеты или металлические контейнеры, поскольку углекислый и другие газы приведут к тому, что те взорвутся. Поэтому стерилизация отходов может быть хорошей идеей.
Для этого были предложены системы, которые смогут эффективно сжигать отходы в отсутствии кислорода, в процессе так называемого пиролиза. Это также позволит использовать воду сразу. Advanced Fuel Research, компания в Ист-Хартфорде, штат Коннектикут, изучает вариант так называемой «обжарки» (которая потребует меньше энергии, чем обычный пиролиз). Отходы нагреваются до 300 градусов по Цельсию. После этого от них остается нечто компактное и сухое, в основном углерод. В то же время сохраняется много водорода.
Ретке отмечает, что в случае с пиролизом или обжаркой пока непонятно, что делать с оставшимся углеродом. «Кирпич - это одно, - говорит он. - Но с порошком сложнее». Не забывайте, что гравитации нет, поэтому любые частицы расплывутся вокруг и могут загрязнить воздухозаборники. Придется как-то уплотнять углерод для хранения.
У обжарки есть и другие проблемы, говорит Майкл Серио, президент Advanced Fuel Research. (Он автор двух работ по этой теме, и впереди у него серьезная работа - с участием птичьего и собачьего навоза). Некоторые вещества превращаются в пепел, некоторые нет. Хлопок, к примеру, содержит гемицеллюлозу, которая не разбивается. «Хлопковая футболка будет похожа на обгоревшую футболку», говорит он.
Можно просто собирать все отходы в брикеты, считает Серио. Берете весь мусор - пищевые обертки, отходы жизнедеятельности, все - и нагреваете достаточно, чтобы он сплавился в кирпич. Это уменьшит объем и устранит токсины из отходов. Из таких кирпичей можно делать частичные экраны от радиации, говорит Серио, или даже строить марсианские (или лунные) жилища. Серио работает с другими компаниями, чтобы выяснить, можно ли проводить утилизацию нагреванием в самом хранилище отходов. Проблема в том, что сложно будет делать это быстро и компактно, поэтому туалет придется закрывать на техобслуживание.
Впрочем, все эти технологии утилизации достаточно перспективны. Но Коэн выражает некоторое разочарование в связи с тем, как NASA распределяет финансирование. Он говорит, что помимо простеньких демонстраций, работа идет вяло. NASA не планировало масштабную миссию на Марс - в лучшем случае набросало план.
И все же задуматься об этом придется, если агентство серьезно планирует покинуть земную орбиту - даже для возвращения на Луну. «NASA хочет от тебя, чтобы ты бросил пакет с калом в канистру - процесс, который будет протекать в калосборнике, агентство не особо заботит», говорит Серио.
Ретке добавляет, что какой бы ни была используемая система, она чересчур сложна и ее можно улучшить. Природные бактерии, отмечает он, прекрасно разрушают вещество, не требуют сложных машин, электричества, еще и выдают полезные химикаты в этом процессе. (Диоксид углерода, к примеру, можно «прожечь» с водородом и сделать метан и воду). Поэтому он стоит за биоразложение. «Все дело в том, сколько энергии задействует система, умноженной на хранилище, умноженной на вес, - говорит Ретке. - Я люблю, когда все просто».
