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Claas Olthoff (li.) und Daniel Pütz mit einem Modell der Internationalen Raumstation.
Claas Olthoff (li.) und Daniel Pütz mit einem Modell der Internationalen Raumstation. (Bild: Stefanie Reiffert / TUM)
  • Forschung

Forscher der TUM simulieren Lebenserhaltungssysteme in der Raumfahrt

Software "Virtual Habitat": Einmal Mars und zurück

Der Weltraum ist wohl die lebensfeindlichste Umgebung, die wir kennen. Trotzdem leben Menschen dort – auf der Internationalen Raumstation ISS, mithilfe von dort installierten Lebenserhaltungssystemen. Forscherinnen und Forscher der Technischen Universität München (TUM) haben eine Software entwickelt, mit deren Hilfe diese Systeme simuliert werden können.

Im Kinofilm "Der Marsianer" bleibt der Raumfahrer Mark Watney alleine auf dem Mars zurück. Schnell wird deutlich, wie abhängig sein Überleben von den Lebenserhaltungssystemen ist. Er benötigt Sauerstoff, Trinkwasser, Nahrung, Normaldruck und Wärme. Nichts davon liefert ihm der Rote Planet. Im Weltraum sind die Bedingungen sogar noch extremer. Trotzdem plant die NASA auf lange Sicht Missionen, bei denen Raumfahrer über mehrere Wochen oder Monate unterwegs wären, etwa zu einem Asteroiden oder sogar zum Mars.

"Eine entscheidende Frage dabei ist: Laufen die Lebenserhaltungssysteme über diesen langen Zeitraum stabil?", erklärt Claas Olthoff, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Raumfahrttechnik der TUM. Wechselwirkungen mit anderen Systemen oder auch unvorhergesehene Störungen und Ausfälle müssen berücksichtigt werden.

Mensch steht im Mittelpunkt der Simulation

Seit 2006 arbeiten Wissenschaftler am Lehrstuhl an der Software "Virtual Habitat", die genau diese Probleme berechnen kann. Mit "V‑HAB" simulieren die Forscher Modelle von der Größe eines Raumanzugs bis hin zu einer mit zehn Mann besetzten Mondbasis. Sogar jahrelange Missionen werden berechnet. Der Vorteil des Tools: Es sind bereits zahlreiche funktionsfähige Lebenserhaltungstechnologien programmiert und es können Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Systemen berechnet werden.

Ein Kernbestandteil der Software ist ein Modell des menschlichen Körpers, denn die Menschen liefern unter anderem Kohlendioxid und Urin. Dies sind die Ausgangstoffe, die das Lebenserhaltungssystem wiederum verarbeiten kann. Durch eine chemische Reaktion mit Wasserstoff entsteht aus dem Kohlendioxid Methangas und Wasser. Das Lebenserhaltungssystem pumpt das Methan über Bord, das Wasser steht dann wieder den Raumfahrern zur Verfügung und kann als Trinkwasser oder zur Produktion von Sauerstoff durch Elektrolyse verwendet werden. Auch Urin kann in Trinkwasser umgewandelt werden. Diese Wechselwirkungen zwischen Mensch und Maschine sind sehr komplex und V‑HAB versucht möglichst viele davon abzubilden. 

Europäisches Lebenserhaltungssystem kommt auf die ISS

Die Software wird ständig weiter entwickelt und mit Modellen von verschiedensten Systemen ergänzt; von einem Radiator zur Kühlung von Raumanzügen bis hin zu Algenkulturen für die Nahrungsproduktion. Während seines Studien-Aufenthalts am Johnson Space Center der NASA in Houston hatte Masterstudent Daniel Pütz etwa die Gelegenheit, den Einbau eines neuen Lebenserhaltungssystems auf der Internationalen Raumstation (ISS) mithilfe von "V‑HAB" zu simulieren und so weitere Funktionen zu programmieren und zu testen.

Momentan sind sowohl ein amerikanisches als auch ein russisches Lebenserhaltungssystem auf der ISS installiert. Nun soll ein europäisches dazukommen. Die Weltraumagentur ESA ließ das sogenannte Advanced Closed Loop System (ACLS) von Airbus entwickeln. Durch eine enge Verbindung zwischen den einzelnen Sub-Systemen ist es kompakter und somit platzsparend. 2017 wird es mit einem japanischen Raumschiff zur ISS gebracht und ins amerikanische Labormodul Destiny zu Testzwecken eingebaut.

Zuviel Luftfeuchtigkeit kann Schimmel verursachen

Doch ein neues System birgt auch immer Risiken, erklärt Olthoff. Denn es kann die bestehenden Systeme beeinflussen oder sogar stören. Da ACLS eine andere Technologie zur CO2-Filterung benutze als die bereits installierten Systeme, bestehe hier insbesondere die Gefahr, dass mehr Wasserdampf in die Luft gelange. Auf der Raumstation muss die Luftfeuchtigkeit zwischen 40 und 60 Prozent liegen. Ein höherer Wert wäre gefährlich, da sich an schlecht belüfteten Stellen Schimmel bilden könnte.

Wie Pütz durch die Simulationen herausfand, können die vorhandenen Filterungssysteme die höhere Feuchtigkeit, die durch das System produziert wird, ohne Schwierigkeiten ausgleichen. Auch die anderen Werte bewegen sich im grünen Bereich.

"V-HAB" wurde bereits von der NASA zur Analyse einer Asteroidenmission genutzt, und daher stehen die Chancen gar nicht so schlecht, dass die Software auch in Zukunft für die Berechnung von geplanten Langzeitmissionen eingesetzt wird. Und so den echten "Marsianern" vielleicht einen Überlebensvorteil verschafft.

Kontakt:

Dipl.-Ing. Claas Olthoff
Technische Universität München
Lehrstuhl für Raumfahrttechnik
+49 89 289-15997
c.olthoff(at)tum.de

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mediatum.ub.tum.de

Interview mit Claas Olthoff und Daniel Pütz (Youtube)

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Technische Universität München Stefanie Reiffert
reiffert(at)zv.tum.de

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