چالشی مهم در فضا؛ استفاده از سرویس های بهداشتی چگونه صورت می گیرد؟

اگر قرار باشد انسان عاقبت به مریخ سفر کند یا در ستاره ها و اجرام آسمانی کنکاش نماید، آنگاه بازیافت مساله ایست که اهمیتی ویژه می یابد و هرچیزی را شامل می شود. پسماندهای انسانی نیز یکی از این موارد هستند.

ناسا اخیرا تلاش هایی را برای یافتن راهکار این مساله انجام داده است چراکه وقتی زمان ساخت یک سفینه فضایی و ارسان انسان به مریخ یا هرجای دیگری از هستی به میان می آید، بازبافت بیش از هر چیز دیگری اهمیت خواهد یافت.

در ماموریت های بین سیاره ای، امکان تامین منابع از زمین وجود نخواهد داشت و در نتیجه این منابع با محدودیت روبرو خواهند بود و این یعنی «وارد شدن به چرخه ای بی پایان»؛ یعنی دیگر نمی شود چیزی را دور ریخت و این دور ریختنی ها، پسماندها و ضایعات انسانی را هم در بر می گیرند. لذا در طراحی هر فضاپیمایی لازم است که این مساله در نظر گرفته شود.

در ادامه این مطلب با دیجیاتو همراه باشید.

مارس کوهن رئیس یک شرکت مشاوره به نام Astrotecture که در زمینه معماری فضایی تخصص دارد می گوید: بهتر است برای این منظور کار با یک سیستم پشتیبانی کننده از حیات آغاز گردد و در ادامه فضاپیمایی حول همین ایده طراحی شود.

ماجرا تا به اینجای کار

نخست بهتر است حقایقی را در مورد مدفوع انسانی بگوییم. یک فرد سالم، روزانه به طور متوسط 128 گرم مدفوع تولید می کند که در سال 46.7 کیلوگرم می شود. برای ماموریتی به مریخ که ممکن است دو تا سه سال طول بکشد، تیمی شش نفره از فضانوردان حضور خواهند داشت که مجموعا 136 کیلوگرم مدفوع تولید خواهند کرد.

در دوران آپولو، فضانوردان برای دفع ضایعات بدن خود از یک کیسه پلاستیکی استفاده می کردند و برای آنکه چیزی از این کیسه به بیرون نشت نکند آن را با استفاده از نوعی چسب به بدن خود متصل می کردند.

گفته شده در آخرین پروازی که به سال 1963 میلادی توسط فضاپیمای مرکوری انجام شد، به دلیل نشت ادرار فضانوردان از کیسه نگهداری، سیستم فضاپیما دچار اختلالات جدی شد. به همین دلیل دیگر امکان استفاده از آن کیسه ها نبود.

شناور شدن مدفوع و ضایعات انسانی در محیط فضاپیما نیز بسیار خطرآفرین است چراکه ممکن است ذرات ریز و آلوده ادرار یا مدفوع به صورت ناگهانی وارد بدن این افراد شده و سلامت شان به خطر بیاندازند.

دان رتک ملقب به «دکتر سیفون» یکی از مهندسان بازنشسته مرکز استاندارد همیلتون است که حالا با نام UTC Aerospace Systems شناخته می شود. رتک قبلا با ناسا همکاری کرده و در واحد پشتیبانی ماموریت شماره 13 آپولو به ایفای نقش پرداخته است. او سیستمی را طراحی کرد که ادرار و مدفوع فضانوردان را از هم جدا می کرد. این سیستم از نوعی مکانیزم مکشی بهره می برد (دستگاهی بسیار مفید و البته ضروری در محیط های بدون جاذبه، چراکه در این شرایط ادرار مایع در فضا شناور می شود و مدفوع که شکل جامدی دارد نیز به سمت پایین حرکت نمی کند).

این دستگاه ادرار را در بخشی فنجانی شکل جمع می کرد و ضایعات جامد نیز به درون ظرفی کشیده شده و سپس در معرض شرایط خلاء قرار داده می شد (به حالت فشرده شده منجمد-خشک).

در حال حاضر، شکل دیگری از این دستگاه در ایستگاه فضایی بین المللی مورد استفاده قرار می گیرد که البته دو تفاوت عمده دارد: نخست اینکه ادرار جمع شده در این دستگاه پس از تصفیه به صورت آب سالم در آمده و مجددا استفاده می شود و دیگری اینکه در آن دیگر مدفوع انسانی به صورت منجمد و خشک در نمی آید.

سیستم بازیافتی نصب شده در ایستگاه فضایی بین المللی همچنین رطوبت را از هوا دریافت می کند که عموما همان عرق و هوای بازدم فضانوردان است. در مورد ضایعات جامد نیز باید بگوییم که در عصر شاتل، این ضایعات مجددا به زمین باز گردانده می شد.

در ایستگاه فضایی بین المللی این نوع ضایعات انسانی در ظرف های پلاستیکی یا فلزی نگه داری می شوkد و بعد از پر شدن این ظروف، فضانوردان آنها را در یک وسیله روسی به نام Progress بار کرده و از ایستگاه آزادش می کنند و اجازه می دهند که روی زمین سقوط کند. این دستگاه نیز در حین ورود به جو زمین در کنار دیگر ضایعات و زباله های تولید شده در ایستگاه در نتیجه افزایش حرارت می سوزد.

اما این روش بنابر دو دلیل مطلوب نیست: نخست اینکه هرچیزی که از ایستگاه فضایی بین المللی به بیرون رها شود، بدون وارد کردن نیروی قابل توجه زیاد هم از آن دور نخواهد شد. بنابراین اگر چیزی را از این ایستگاه دور بریزید، چندان از شما دور نخواهد شد و مسیر حرکت تان را دنبال می کند. برای وارد کردن نیرو به این بسته ها هم به قفل های هوایی نیاز خواهید داشت که اندکی در خود هوا داشته باشند تا نوعی اثر رفع فشار انفجاری را ایجاد کنند. این کار نیز هوا را به هدر خواهد داد.

اما اجازه دهید بپردازیم به مشکل نخست: زباله هایی که از ایستگاه فضایی بین المللی دور ریخته می شوند اندکی از این ایستگاه فاصله می گیرند و حتی ممکن است قسمت هایی از آن به سمت بخش های مختلفی از ایستگاه حرکت کند و در نتیجه تکان های پیش بینی نشده ای را به آن وارد کند.

در عصر شاتل و آپولو، فضاپیماها عموما با توده هایی از کریستال های یخی ادرار برخورد می کردند که چندی پیش نیز پاکسازی شدند. به همین خاطر خالی کردن ظروف حاوی ادرار و مدفوع در خارج از ایستگاه فضایی بین المللی می تواند کار بسیار خطرناکی باشد.

جان فیشر از پژوهشگران مرکز تحقیقاتی Ames متعلق به ناسا که تا به حال مقالات متعددی را در مورد بازیافت ضایعات انسانی در فضا به رشته تحریر در آورده اینطور می گوید: وقتی به هدف خود نزدیک می شوید به ناگاه مجبور می شوید که حرکت را متوقف کنید. اگر ناگهان ترمز کنید، به احتمال زیاد با بخش انتهایی فضاپیما برخورد می کنید. یک کیسه نیم کیلویی از ضایعات که شتاب منفی به فضاپیما وارد می کند می تواند نیروی زیادی را به آن وارد کند.

بنابراین لازم است که این ضایعات در جایی نگهداری شوند. در روزهای نخست ماموریت شاتل، پژوهشگران به این نتیجه رسیده بودند که برای جلوگیری از رشد باکتری ها ضایعات و پسماندهای انسانی را منجمد کنند. این کار به انرژی نیاز داشت و لازم بود که آن انرژی از نوعی سیستم جداگانه تامین می شد.

علاوه براین، دور ریختن ضایعات، آخرین کاری است که خدمه فضایی دوست دارند انجام دهند چراکه این پسماندها حاوی مواد مفیدی است. برای نمونه حدود 75 درصد از این پسماند را آب تشکیل می دهد و در کنار این، باکتری های روده ای و دیگر سلول های انسانی را نیز در خود دارند. در حدود 80 درصد از مدفوع انسان را هم مولکول های اورگانیک می سازند و این یعنی ترکیباتی که حاوی کربن هستند.

تقریبا یک چهارم این ماده را نیز زیست توده های باکتریال تشکیل می دهند، یک چهارم دیگرش پروتئین است و یک چهارم باقی مانده هم مواد گیاهی هضم نشده (عموما فیبر) است و درصد کوچکی را هم چربی تشکیل می دهد. در نظر داشته باشید که در فضا، مواد شیمیایی اورگانیک و آب حکم طلا را دارند.

در مریخ، مدفوع انسان، حداقل کاربردش این است که می تواند به عنوان کود برای رشد غذا به کار گرفته شود.

استفاده مجدد، بازیافت

اما ضایعات انسانی تنها چیزهایی نیستند که باید در فضا بازیافت شوند و آدم ها زباله های زیادی را تولید می کنند که همه شان به پیچیدگی مساله بازیافت و استفاده مجدد از مواد می افزایند.

هر دستگاهی که برای این منظور ساخته شود باید سبک باشد چراکه ارسال هرچیزی به فضا هزینه بر است و هر کیلوگرمش هزاران دلار آب می خورد. این ماشین ها همچنین باید کوچک باشند، چراکه در یک ماژول فضایی جا خیلی کم است و دست آخر اینکه، عملکرد چنین دستگاه هایی باید کاملا قابل اطمینان باشد و تعمیرشان ساده چراکه در فضا خبری از سرویس های پشتیبانی نیست.

جی پری مهندس ارشد هواوفضا در بخش سیستم های پشتیبانی و حفظ محیط زیست مرکز پروازی مارشال وابسته به ناسا در این باره می گوید: طراحی چنین سیستم هایی بسیار پیچیده خواهد بود. برای نمونه ادرار را در نظر بگیرید. جداسازی آب از ادرار روی زمین نسبتا ساده است اما در محیطی با جاذبه صفر شرایط فرق می کند.

برای نمونه استخوان های فضانوردان در چنین محیطی تراکم و توده خود را از دست می دهند و به همین خاطر است که خدمه مستقر در ایستگاه فضایی بین المللی موظفند تمرینات بدنی سختی را داشته باشند. در این محیط کلسیم بدن فضانوردان از طریق ادرارشان دفع می شود و در نتیجه استخوان های آنها تراکم پایین دارند.

از همین رو، میزان آبی که می تواند از طریق بدن این افراد دفع شود دارای محدودیت است و آنچه دست آخر باقی می ماند نوعی مایع غلیظ شده و نمکی است. تحقیقاتی که در سال 2013 میلادی انجام شد نشان داد که این کلسیوم می تواند باعث شکل گیری سنگ های کلیه ای کوچک شده و در نهایت دریچه توالت های فضایی را مسدود کند.

چالش دیگری که پیش روی فضانوردان قرار دارد به انرژی مورد نیاز و پیچیدگی سیستمی بستگی دارد که می خواهید بسازید. برای نمونه در مطالعه انجام شده توسط مرکز United Technologies ذکر شده که در توالت های فضایی کنونی با استفاده از ماشین هایی مدفوع انسان فشرده سازی می شود. همین امر باعث پیچیده تر شدن موضوع می گردد و به همین خاطر، دراین پژوهش پیشنهاد شده که از نوعی اهرم دستی برای این منظور استفاده شود که نیاز به تامین انرژی از منابع دیگر ندارد و انرژی اش را از بازوی فضانوردان می گیرد.

هماننطور که گفته شد، مدفوع انسان حاوی مواد شیمیایی مفیدی است اما جداسازی همه آنها هم کار ساده ای نخواهد بود و استفاده از توالت های شیمیایی و مخازن خاص برای این منظور هم بی فایده خواهد بود. توالت های شیمیایی بی فایده اند چراکه ترکیبات مورد استفاده آنها برای تجزیه مدفوع باید از زمین برای شان ارسال شود.

علاوه بر این، برای انجام یک ماموریت یک ساله به صدها هزار گالون ماده آبی رنگی نیاز دارید که کار تجزیه را انجام می دهد و بخش اعظمی از آن را هم آب تشکیل می دهد که این کار چندان هم مقرون به صرفه نخواهد بود. مخازن سپتیک هم برای آنکه کار کنند به جاذبه نیاز دارند و حتی در صورت وجود جاذبه هم لازم است که ضایعات را در جایی نگهداری کنید.

رتک در گفته هایش تاکید کرده که تجزیه بیولوژیکی را ترجیح می دهد؛ برای این منظور صرفا کافیست که اجازه دهید ضایعات (شامل هرچیزی از استفراغ گرفته تا مدفوع و ادرار) در داخل یک محفظه فلزی به حال خود رها شوند تا تجزیه گردند و با استفاده از نوعی زغال چوب فعال شده از انتشار بوی بد آنها جلوگیری به عمل آید.

اما این ظرف ممکن است گازهایی را متصاعد کند (که تقریبا همه آنها را هم دی اکسید کربن تشکیل خواهند داد) که فیلترهای تعبیه شده در فضاپیماها و ایستگاه های فضایی به خوبی از عهده پاکسازی آنها بر می آیند.

رتک حتی خودش چنین دستگاهی را تولید کرده و در این باره می گوید: «من آن را برای چند ماهی روی میزم گذاشتم. هیچکسی حتی متوجه نشد. پس از آنکه فضانوردان به مریخ رسیدند می توانند از این ماده به عنوان کود استفاده نمایند. اما مشکلی که در این رابطه وجود دارد ذخیره سازی این مواد است چراکه با مرور زمان بر حجم آنها اضافه می شود.

جالب است بدانید که مدفوع نوعی خاصیت حفاظتی در برابر پرتوافکنی هم دارد. در فضا دو منبع از پرتوهای یونیزه کننده وجود دارند که می توانند به فضانوردان آسیب برسانند. یکی پس زمینه پرتوهای کیهانی کهکشانی (GCR) است و دیگری طوفان های خورشیدی که تحت عنوان «رویداد ذرات خورشیدی» یا SPE از آن یاد می شود. هر دوی منابع دربرگیرنده ذراتی حاوی  انرژی هستند که عموما هم این ذرات را پروتئین ها تشکیل می دهند.

البته این منابع پرتوافکنی کمترین مشکل را برای ساکنین ایستگاه فضایی بین المللی دارند چراکه این ایستگاه همچنان در داخل میدان مغاطیسی حفاظتی زمین قرار دارد. اما به محض اینکه فضانوردان میدان را ترک می کنند، SPE می تواند بیماری های حادی را ایجاد کند و پرتوهای کیهانی نیز خطر ابتلا به سرطان را بالا می برند.

سودمندترین پوشش محافط سدیم جامد است چراکه این ماده با سهولت بیشتری می تواند ذرات معلق را منحرف کند. اما هیدروژن جامد خارج از سیاره های گازی وجود ندارد و مدیریت کردن شکل مایع آن هم دشوار است و به فشار، دمای برودتی یا هر دوی این موارد نیاز دارد.

راهکار مهم بعدی آب است که مقدار زیادی هیدروژن یا پلی اتیلن را درون خود دارد. پوشش های فلزی نظیر سرب که سطح حفاظتی بالایی در برابر پرتوهای گاما و اکس دارد خطرش به مراتب از نبود پوشش محافظتی بیشتر است چراکه پروتون ها با اتم های این فلز برخورد کرده و جریانی از ذرات دیگر را به راه می اندازند و حتی پرتوهای خطرناک تری را تولید می کنند.

جک میلر، یکی از فیزیکدانان هسته ای در آزمایشگاه ملی Lawrence Berkeley به همراه Michael Flynn و مارک کوهن از مرکز تحقیقاتی Ames ناسا آزمایشی را با بودجه اهدایی توسط ناسا انجام دادند تا اثر ضایعات انسانی در حفاظت از پرتوهای خطرناک را مورد بررسی قرار دهند.

او و همکارانش نمی توانستند برای انجام این تحقیقات از مدفوع واقعی استفاده نمایند و در مقابل از نوعی ماده شبیه به آن بهره گرفتند که از میسو، روغن بادام زمینی، پروپیلن گلیکول، پوسته اسفرزه، نمک، اوره و مخمر ساخته شده بود.

هدف از انجام این آزمایش شبیه سازی دقیق مواد تشکیل دهنده مدفوع نبود و این گروه از پژوهشگران صرفا به دنبال چیزی بودند که تا حدودی همانند این ماده باشد و بتواند آب را در خود نگه داشته و پرتوها و ذرات را به شکلی مشابه به آن به خود جذب کند.

آنها ماده تهیه شده را در معرض یک پرتو ذره قرار دادند تا ببینند که چطور می تواند انرژی پروتون های معلق را به خود جذب نماید و خوشبختانه مدفوع شبیه سازی شده موفق شد بخش اعظمی از آن انرژی را به خود جذب کند و آن تیم دریافت که ضخامت ماده یاد شده نیز در این مساله نقش دارد.

آنها دریافتند که اگر این ماده بیش از اندازه نازک باشد، مشکل وخامت بیشتری پیدا می کند و اگر پوشش محافظ از مدفوع ضخامتی بین 20 تا 28 سانتی متر داشته باشد، از شدت پرتوهای ورودی به میزان زیادی می کاهد.

اگر خاطرتان باشد  پیشتر گفتیم که پرتوافکنی در فضا از دو منبع انجام می شود: نخست SPEها و دیگری پرتوافکنی پس زمینه از اشعه های کیهانی. اشعه های کیهانی 5 برابر بیشتر از ذرات SPE در خود انرژی دارند و همان چیزی هستند که می تواند خطر ابتلا به سرطان را افزایش دهد.

براساس قوانین ناسا، خطری که جان فضانوردان را تهدید می کند نباید بیشتر از 3 درصد میزانی باشد که عموم مردم با آن روبرو هستند. متاسفانه مدفوع شبیه سازی شده عملکرد خوبی را برای حفاظت در برابر آن ذرات از خود نشان نداد که البته انتظار چنین عملکردی هم می رفت.

انرژی موجود در GCR آنقدر بالاست که می تواند به داخل هرچیزی نفوذ کند و به همین دلیل تلاش میلر این است که این خطر را تا آنجا که امکان دارد پایین بیاورد.

مساله دیگری که وجود دارد این است که نمیتوان به سادگی مدفوع را درون کیسه های مهر و موم شده یا ظروف فلزی قرار داد چراکه CO2 و دیگر گازهای تولیدی توسط آنها، خطر انفجارشان را به دنبال دارد و از طرفی تنفس فضانوردان را با مشکل روبرو می کند.

به همین دلیل برخی پیشنهاد استرلیزه کردن و سوزاندن این ضایعات بدون حضور اکسیژن را داده اند که در شرایطی تحت عنوان pyrolysis امکان پذیر خواهد بود. با این کار استفاده از آب تجزیه شده سرعت بیشتری پیدا می کند.

مرکزی به نام  Advanced Fuel Research که در شرق هاتفورد واقع در کانکتیکات فعالیت می کند روشی مشابه به این را آزمایش می کند که از آن تحت عنوان شبه آتش یاد کرده (که به انرژی کمتری هم در قیاس با pyrolysis نیاز دارد).

در این روش، ضایعات و پسماند انسانی در معرض دمایی بالغ بر 300 درجه سانتی گراد قرار می گیرند و در نهایت چیزی که باقی می ماند ماده ای عموما متشکل از کربن است که شکلی خشک دارد و در عین حال حاوی مقدار زیادی هیدروژن است.

اما آنطور که رتک اعلام کرده یکی از ایرادات pyrolysis و torrefaction یا همان شبه آتش کربنی  است که در نهایت از آن باقی می ماند.  اگر این ماده شکلی منجد و یک پارچه مانند آجر داشته باشد خوب است اما مشکل شکل پودری آن است که مساله ساز می شود.

باید به یاد داشت که در این محیط هیچگونه جاذبه ای وجود ندارد درنتیجه هر ذره ای در فضا معلق می شود و می تواند باعث آلودگی هوای تنفسی شود. بنابراین به روشی نیاز است که آن کربن را فشرده سازی و سپس ذخیره کرد.

اما Torrefaction چالش ها و مشکلات دیگری هم دارد. به گفته مایکل سریو رئیس شرکت Advanced Fuel Research که تاکنون دو مقاله را در این رابطه به رشته تحریر درآورده و هم اکنون نیز مطالعاتی را روی کود تولیدی توسط سگ ها و پرندگان انجام می دهد، با این روش، برخی مواد به خاکستر تتبدیل می شوند اما برخی دیگر هم نه. برای نمونه کتان، حاوی همی سلولز است که به راحتی تجزیه نمی شود و برای همین است که یک تی شرت کتانی با شکل سوخته آن فرق چندانی ندارد.

اما می شود همه این پسماندها را بعد از قرار گرفتنشان در معرض حرارت به شکل قطعات آجری شکل درآورد. کافیست همه زباله ها شامل پاکت های غذا، ضایعات انسانی و هر چیز دیگری را آنقدر حرارت دهید که ذوب شده و در نهایت به این شکل درآیند. با این کار زباله ها حجم خود را از دست داده و سم زدایی می شوند.

آنچه در پایان باقی می ماند برای حفاظت در برابر پرتوها یا حتی خانه سازی در مریخ و ماه بسیار مناسب است. سریو هم اکنون با شرکت های دیگر وارد همکاری شده تا همین شیوه بازیافت حرارتی را در داخل خود محفظه توالت انجام دهد. چالش پیش رو برای این منظور آن خواهد بود که کار تا حد ممکن سریع انجام شود و پس از آن به میزان زیادی از حجم ضایعات انسانی کاسته شود تا توالت برای مدت زمان زیادی غیرقابل استفاده نباشد.

این تکنولوژی های بازیافتی همگی امیدبخش هستند اما آنچه باعث یاس کوهن شده، سهل انگاری ناسا در تامین بودجه لازم برای آنهاست. او می گوید، ناسا تا به امروز کاری جز تدوین نقشه راه برای عملیاتی ساختن ایده سکونت انسان روی مریخ انجام نداده است.