Bei einem Flug zum Mars werden Astronauten vermutlich Geräte mitnehmen, die schmutziges Wasser in sauberes umwandeln. Auf der Internationalen Raumstation ISS ist solch eine Wasseraufbereitungsanlage seit Jahren im Einsatz. Sie ist in zweierlei Hinsicht wesentlich für die Vorbereitung einer Mars-Mission: Einerseits machen Ingenieure das bestehende System laufend zuverlässiger. Andererseits entwerfen sie neue Technologien, die nach zwei bis drei Jahren auf der ISS für Reisen jenseits der Erdorbits frei gegeben werden könnten.

Aus Urin wird Trinkwasser

Bereits 1986 begann die NASA am Marshall Space Flight Center ein Wasserrückgewinnungssystem zu entwickeln: Es sammelt den Urin der Besatzung und behandelt ihn mit einem Oxidationsmittel (in diesem Fall Chromtrioxid) und einer anorganischen Säure (Schwefel- oder Phosphorsäure). Auf diese Weise werden schädliche chemische Stoffe und Mikroben entfernt. Die so vorbehandelte Flüssigkeit strömt dann in den Urinverarbeiter, die "Urin Processor Assembly", UPA, in dem Wasser und andere flüchtige Bestandteile verdampfen.

Dadurch gewinnt man destilliertes Wasser und als Abfallprodukt eine konzentrierte, wässrige Lösung aus Salzen, eine so genannte Sole. Die "Water Processor Assembly" (WPA), eine Art Wasseraufbereiter, wandelt das destillierte Wasser anschließend wieder in sauberes Trinkwasser um. Es steht dann der Mannschaft erneut zur Verfügung – zum Trinken, für die Körperhygiene sowie für die Toilettenspülung und den Sauerstoffgenerator. Neben dem Schmutzwasser bereitet die Aufbereitungseinheit zudem der Kabinenluft entzogenes Wasserkondensat auf sowie Wasser, das bei dem Filterprozess der verbrauchten Atemluft entsteht.

Für die verschiedenen Komponenten dieses Systems hat die NASA mehrere Verfahren erprobt und die effizientesten letztlich für den Betrieb auf der ISS implementiert: für die Urinaufbereitung eine für die Mikrogravitation adaptierte Variante der so genannten Brüdenkompression und ein thermoelektrisches Verdampfungssystem mit Membrantechnik. Bei der Brüdenkompression, die in ähnlicher Weise in Erdölraffinerien zum Einsatz kommt, lässt man das Wasser bei niedriger Temperatur und niedrigem Duck verdampfen. Wegen der Mikrogravitation geschieht dies auf der ISS allerdings in einer rotierenden Trommel, was jegliche hydraulische und elektrische Verkabelung deutlich erschwert. Doch das Verfahren ist sehr energieeffizient – ein wichtiges Kriterium für Weltraummissionen. Bei der anderen Technik fließt das Wasser durch Membranen bei normalem Umgebungsdruck, und eine thermoelektrische Pumpe sorgt für die Verdampfung.

Die Hygieneprodukte der Astronauten verunreinigten die Wasseraufbereitungsanlage der ISS

Für die Wasseraufbereitung kommen unter anderem die Umkehrosmose und Multifilter-Verfahren in Frage. Bei der Umkehrosmose filtert eine Membran unerwünschte Stoffe aus dem Wasser, während die zweite Methode Filter mit unterschiedlichen Wirkmechanismen einsetzt: Große organische Bestandteile werden adsorbiert, während für anorganische Verunreinigungen ein Ionentauscher aus anionischen Austauscherharzen zur Anwendung kommt. Hierbei werden die unerwünschten gelösten Ionen durch andere Ionen gleichnamiger Ladung ersetzt und so den Flüssigkeiten entzogen. Substanzen mit niedrigem Molekulargewicht werden anschließend durch katalytische Oxidation aus dem Wasser entfernt.

Projekt Wasseraufbereitung

Diese unterschiedlichen Komponenten des Wasserrückgewinnungssystems wertete die NASA sowohl mit Blick auf messbare als auch auf subjektive Daten aus. Was bedeutet das genau? Zu ersteren zählen Masse und Größe des Subsystems, Energieverbrauch, Leistung sowie Masse und Volumen der nötigen Betriebsstoffe. Also alles Dinge, die ganz offenkundig ausschlaggebend für die Leistung solcher Systeme sind und die sich mit passenden Messgeräten ermitteln lassen. Bei subjektiven Daten hingegen ist das nicht ganz so eindeutig. Es handelt sich dabei in der Regel um Einschätzungen von Ingenieuren, etwa wie zuverlässig, sicher und technisch ausgereift das System ist. Auf Grundlage solcher Überlegungen entschied sich die NASA schließlich für die Brüdenkompression in Kombination mit der Multifiltrierung.

1998 startete die NASA ein Programm mit dem Ziel, das System auf der ISS zu installieren. Das Marshall Space Flight Center bekam die finanziellen Mittel, um den Urinverarbeiter zu bauen; der Auftrag für den Wasseraufbereiter ging an das Unternehmen Hamilton Sundstrand Space Systems International. Es sollten allerdings zehn Jahre vergehen, bis das Wasseraufbereitungssystem betriebsbereit war. Denn die Entwicklung und die nötigen Tests nahmen viel Zeit in Anspruch. Zunächst mussten die Ingenieure festlegen, welchen Anforderungen das System genügen soll. Damit wollte man unnötige Kosten oder zeitliche Verzögerungen im weiteren Verlauf vermeiden.

Nach Abschluss dieser Arbeiten entwarfen die jeweiligen Teams detaillierte Pläne der Systeme. Die einzelnen Elemente – beispielsweise Behälter, Ventile und Messgeräte – entwickelten die Techniker dann entweder selbst oder bezogen sie von einem Zulieferer. Doch auch solche Standardelemente müssen den Anforderungen auf der ISS genügen und in der Regel daran angepasst werden. Meistens handelt es sich also keinesfalls um bereits kommerziell verfügbare Produkte. Und die entscheidenden Bauteile der Wasser- und Urinaufbereitung können ohnehin nicht von einer externen Firma gefertigt werden. Die Teams entwarfen und konstruierten sie selbst und setzten die fertigen Bauteile dann zu so genannten orbitalen Austauscheinheiten zusammen. Diese integrierten die Entwickler daraufhin in zwei standardisierte Module: telefonzellengroße Aufbewahrungseinheiten, die jeweils 700 Kilogramm an zusätzlicher Ausrüstung aufnehmen können.

Die Technik muss einen Raketenstart überstehen

Der finale Schritt war schließlich eine Abnahmeprüfung: Sie begann 2004, kam aber nur langsam voran. Prüfingenieure verifizierten die Funktionsfähigkeit der individuellen Komponenten und der gesamten orbitalen Austauscheinheit. So wollte man sicherstellen, dass sich diese problemlos auf der ISS installieren lassen. Die Ingenieure führten beispielsweise Vibrationsexperimente durch, um zu testen, ob die Einheit die beim Start auftretenden Belastungen übersteht. Daneben prüften sie, wie das System auf hohen Druck oder extreme Temperaturen reagiert. Bestandteil der Tests war auch, wie die Bauteile auf elektromagnetische Störungen reagieren und was für elektromagnetische Signale von ihnen ausgehen.

Im November 2008 war es dann so weit: Zwei Standardmodule mit Urin- beziehungsweise Wasseraufbereiter flogen zur ISS und wurden dort zunächst im US-Labormodul Destiny getestet. Im Jahr 2010 verlagerte man die beiden dann in Tranquility, ein Modul der ISS, das kurz zuvor angekoppelt worden war. Jetzt mussten die zwei Anlagen zeigen, dass sie auch im Weltraum ihre Arbeit zuverlässig verrichten. Das war eine Voraussetzung dafür, dass man die ISS-Besatzung von drei auf sechs Personen erweitern konnte. Und tatsächlich: Die Systeme funktionieren. Seit der Inbetriebnahme hat der Urinverarbeiter mehr als 17 000 Liter Urin prozessiert und der Wasseraufbereiter 30 000 Liter Trinkwasser produziert.

Hindernisse beseitigen

Insgesamt ist das Wasserrückgewinnungssystem also eine Erfolgsgeschichte. Allerdings traten doch eine ganze Reihe unvorhergesehener Probleme auf, beispielsweise gleich im Jahr 2010. Wegen des Knochenabbaus in der Mikrogravitation sammelt sich viel Kalzium im Urin von Astronauten. Das war zwar bekannt, das Ausmaß hatten die Techniker jedoch unterschätzt. Auf der Erde war der Urinverarbeiter mit einer mittleren Kalziumkonzentration von 90 Milligramm pro Liter getestet worden. Der Urin der Besatzung an Bord der ISS lieferte aber Werte von bis zu 230 Milligramm pro Liter. Dadurch kam es im Destillator zur Ausfällung von Kalziumsulfat, das sich als Gips ablagerte und Röhren verstopfte. Letztlich führte das zu einem Totalausfall des Destillationsaggregats. Damit sich kein Gips mehr bildete, senkte man zunächst die Wasserrückgewinnungsquote von 85 auf 75 Prozent. Durch diese Sofortmaßnahme blieb die Kalziumkonzentration im Urinverarbeiter stets unterhalb des Grenzwerts für eine Ausfällung. Parallel dazu modifizierten die Ingenieure den zur Vorbehandlung eingesetzten Chemikalienmix, wodurch weniger Sulfat anfiel – es begünstigt die Ausfällung von Kalzium. So erreichte man im weiteren Verlauf der Mission sogar wieder die vorherige Rückgewinnungsquote von 85 Prozent.

Schon nach zwei Jahren wurden die Dichtungsringe brüchig – vermutlich weil der Katalysator mit einer zu hohen Betriebstemperatur lief

Wegen mechanischer Probleme versagte auch mehrfach die Schlauchpumpe des Urinverarbeiters. Die vielen Ausfälle ließen NASA-Ingenieure bisweilen daran zweifeln, dass diese Technologie für die ISS und künftige bemannte Missionen zuverlässig genug ist. Mittlerweile haben sie der Pumpe ein neues Getriebe verpasst, das robuster ist und zudem eine bessere Kraftübertragung bietet. So verbessert hat die jetzige Pumpe auf der ISS bereits 2200 Betriebsstunden hinter sich; das übertrifft die Lebensdauer aller vorherigen Exemplare. Die Entwicklung ist damit jedoch noch nicht abgeschlossen: Die Ingenieure haben unterdessen weitere Schwachstellen der Urinaufbereitung identifiziert und wollen die technischen Änderungen von 2021 an auf der ISS testen.

Kaputte Dichtungen und ein verstopfter Tank

Auch beim Wasseraufbereiter gab es in der Vergangenheit Probleme – drei davon waren wirklich ernst zu nehmend. Zunächst entdeckten die Astronauten im Jahr 2010, dass etwas ihr Wasser verschmutzte. Bei der Substanz handelte es sich um so genanntes Dimethylsilandiol, kurz DMSD. Es ist zwar in der nachgewiesenen Konzentration nicht schädlich für die Astronauten, kann aber die Effizienz der Aufbereitungsanlage beeinträchtigen. Die installierten Filter waren allerdings nur bis zu einem gewissen Grad in der Lage, den Stoff zu entfernen. DMSD ist leicht ionisch und wird durch anionisches Austauscherharz in den Filtern gebunden. Doch es sättigt das Harz ziemlich schnell, und weiteres DMSD wird nicht mehr herausgefiltert. Da hilft dann nur ein Filtertausch, der aber sehr häufig stattfinden muss. Mittlerweile geht man davon aus, dass unter anderem Hygieneprodukte der Astronauten eine relevante DMSD-Quelle sind – die Raumfahrer dürfen diese Produkte nun nicht mehr verwenden. Zudem entwickeln die NASA-Ingenieure einen Katalysator, der mehr DMSD oxidieren kann. Die entsprechenden Änderungen will die NASA bis 2019 an Bord der ISS implementieren.

Das zweite Problem betraf die Dichtungsringe im Katalysator, mit dem das destillierte Wasser behandelt wird, bevor dieses wieder trinkbar ist. Der Katalysator arbeitet bei 131 Grad Celsius und einem Druck von fünf Atmosphären. In ihm sind nichtmetallische Dichtungen aus Kautschuk verbaut. Damit wollte man die Kosten und den Aufwand vermeiden, der mit metallischen Dichtungen oder verschweißten Verbindungen einhergeht. Tests auf der Erde ergaben eine zu erwartende Lebensdauer von fünf Jahren. Doch auf der ISS hielten die Dichtungen nur zwei Jahre. Vermutlich liegt dies an der hohen Betriebstemperatur. Daher senkten die Astronauten die Temperatur des Katalysators im Bereitschaftszustand von 131 auf 96 Grad Celsius. Wie viel das bringt, ist momentan noch offen. Techniker sind derweil auf der Suche nach Alternativen. Bei zukünftigen Missionen könnte man auch über Metalldichtungen oder geschweißte Verbindungen statt der bislang verwendeten nachdenken.

Das dritte Problem betraf die Biomasse im Abwassertank. Sie nahm unerwartet stark zu und verstopfte ein Ventil. Die Astronauten bauten deshalb letztlich einen zusätzlichen Filter ein. Außerdem nutzen sie den Tank nun etwas anders und spülen den Reststoffbereich häufiger aus. Diese Maßnahmen haben zwar die von der Biomasse verursachten Probleme erfolgreich beseitigt, allerdings ist für Missionen jenseits der ISS eine robustere Herangehensweise wünschenswert. Insbesondere müssen alle Leitungen, Ventile und sonstigen Komponenten so gestaltet werden, dass man die Biomasse gut ablassen kann. Außerdem untersuchen die Ingenieure, ob sie mit Bioziden das Anwachsen der Biomasse einschränken können.

Was, wenn etwas kaputtgeht?

Selbst wenn alle Komponenten so funktionieren, wie sie sollen, muss die Besatzung sie regelmäßig warten. Wie das bei künftigen Missionen genau ablaufen wird, ist noch nicht abschließend geklärt. Auf der ISS basiert das Wartungskonzept auf den orbitalen Austauscheinheiten. Sie beinhalten mehrere Komponenten, die zu einem Element zusammengefasst sind, das durch eine neue Einheit ausgetauscht wird. Jede Austauscheinheit ist typischerweise mit Schnelltrennkupplungen ausgestattet, die eine Abtrennung ohne Flüssigkeitsaustritt ermöglichen. Ziel dieses Konzepts ist, die für Wartungen nötige Arbeitszeit der ISS-Besatzung möglichst gering zu halten. Es hat aber auch einen Nachteil: Wenn ein Bauteil versagt, erfordert das den Wechsel einer ganzen orbitalen Austauscheinheit. Da bei einer Marsmission Ersatzlieferungen vermutlich nur begrenzt oder überhaupt nicht möglich sein werden, wäre ein solches Vorgehen nicht sinnvoll. Die Wartung sollte also eher auf der Ebene der einzelnen Komponenten geschehen. Alle Bauteile müssen dann so konstruiert sein, dass die Crew sie selbst reparieren oder ersetzen kann.

Eine solche Änderung des Wartungskonzepts stellt für die Ingenieure eine große Herausforderung dar. In den bemannten Modulen ist zum Beispiel nur sehr wenig Platz, wodurch der Zugang zu manchen Geräten eingeschränkt ist. Ferner muss die Besatzung in der Schwerelosigkeit arbeiten, was den Austausch oder die Reparatur erschwert. Auch Sicherheitsaspekte spielen eine Rolle, weil zum Beispiel der Urinverarbeiter giftige Flüssigkeiten enthält. Und selbst wenn die Technologie diese Schwierigkeiten berücksichtigt, muss die Besatzung die mechanischen Fertigkeiten besitzen, um die nötigen Wartungsarbeiten auszuführen und bei Bedarf zu improvisieren.

Wenn die Crew mal weg ist

Eine zusätzliche Herausforderung bei künftigen Missionen sind längere Phasen, in denen sich keine Besatzung im Raumschiff befindet. Bei einer Reise zum Mars würde die Mannschaft ihr Transportschiff vermutlich für längere Zeit im Orbit des Roten Planeten parken und in einem Habitat auf der Oberfläche leben. Nach Ende dieses Aufenthalts müssen die Systeme an Bord des Raumschiffs natürlich noch funktionieren, damit die Crew gesund zurück zur Erde reisen kann. Das System muss also so konzipiert sein, dass es in einen Ruhezustand übergehen kann und bei Bedarf wieder in den normalen Betriebszustand.

Auf einer Reise zum Mars müssen die Astronauten ihre Wasseraufbereitungssysteme selbst reparieren können – und alle nötigen Ersatzteile dabeihaben

Wieso das problematisch ist, zeigt zum Beispiel der Abwassertank. In Wasser, das längere Zeit steht, breitet sich die Biomasse aus. Ingenieure haben bisher verschiedene Optionen geprüft, wie man das verhindern könnte. Wasser permanent zirkulieren zu lassen, wäre eine geeignete Lösung, weil so das Wachstum der Biomasse beschränkt wird. Aber es besteht das Risiko, dass das System durch den Ausfall einer einzigen Komponente versagt – sei es eine Pumpe oder ein Ventil. Auf der Erde legt man solche Systeme für gewöhnlich vollständig trocken. Doch dies ist wegen der Mikrogravitation nur schwierig umzusetzen. Die beste Lösung ist wohl, das System mit biozidhaltigem Wasser kräftig durchzuspülen. Allerdings muss die Anlage dafür noch modifiziert werden.

Wie das System an Bord der ISS insgesamt zeigt, funktioniert die Wasseraufbereitung im Weltraum dauerhaft. Neben den 30 000 Litern Trinkwasser hat es auch wichtige Erkenntnisse für zukünftige Projekte geliefert. Alle Ausfälle ließen sich beheben, und die Techniker haben zahlreiche Verbesserungen vorgenommen. In Zukunft wollen sie die Zuverlässigkeit so weit erhöhen, dass sie für eine Reise zu unserem Nachbarplaneten ausreicht. Innerhalb der kommenden drei Jahre soll der Aufbau des Systems so weit abgeschlossen sein, dass die NASA mit den Tests für eine solche Mission beginnen kann. Daneben entwickeln die Verantwortlichen Konzepte, welche die Wartung verbessern und Phasen ohne Besatzung bewältigen können. Die potenziellen Astronauten sollen sich bei einer Marsmission voll und ganz auf das Wasserrückgewinnungs- sowie auf andere Lebenserhaltungssysteme verlassen können.

Layne Carter ist Chemieingenieur und arbeitet seit 29 Jahren für die NASA. Als ISS Water Subsystem Manager ist er für die Wasseraufbereitungsanlage der Internationalen Raumstation verantwortlich.

(Beitrag zum 21. Berliner Kolloquium der Daimler und Benz Stiftung: »Überleben im Weltraum – Auf dem Weg zu neuen Grenzen«, 24. Mai 2017)