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Astronauten könnten Abfall in Wasserstoffperoxid verwandeln

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Sudeep Popat von der Clemson University entwickelt eine Methode zur Herstellung von Wasserstoffperoxid für den Einsatz bei Langzeit-Weltraummissionen

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Astronauten auf Weltraummissionen werden nicht in der Lage sein, in den Laden zu laufen, um Desinfektionstücher zu kaufen, aber sie haben vielleicht eine andere Möglichkeit, Oberflächen in ihrem Raumschiff zu reinigen, und es könnte menschlichen Abfall beinhalten.

Sudeep Popat von der Clemson University entwickelt eine Methode zur Herstellung von Wasserstoffperoxid für den Einsatz in Langzeit-Weltraummissionen. Er schlägt vor, dies zu tun, indem er menschliche Abfälle in mikrobielle Brennstoffzellen einspeist, die Wasserstoffperoxid produzieren.

Popat, ein Assistenzprofessor für Umwelttechnik und Geowissenschaften, sagte, dass das Wasserstoffperoxid verwendet werden könnte, um potenziell infektiöse Biofilme von Oberflächen innerhalb von Raumfahrzeugen zu reinigen. Oder es kann möglich sein, das Wasserstoffperoxid zur Desinfektion von Abwasser zur Wiederverwendung zu verwenden, sagte er.

Noch besser, die elektrochemischen Reaktionen in mikrobiellen Brennstoffzellen erzeugen eine winzige Menge an Spannung, wenn Bakterien organische Substanzen abbauen, sagte Popat. Das bedeutet, dass die Herstellung von Wasserstoffperoxid auch eine kleine Menge an überschüssiger Energie für andere Anwendungen produzieren könnte, sagte er.

Bevor die Technologie zum Start bereit ist, müssen mehrere Fragen beantwortet werden, und Popat und sein Team arbeiten nun daran, die Technologie mit einem neuen Forschungsprojekt weiterzuentwickeln, das von der NASA mit 750.000 US-Dollar unterstützt wird.

Es gehört zu den jüngsten Projekten im ganzen Land, die Astronauten helfen sollen, alle Ressourcen zu nutzen, wenn sie sich monatelang oder sogar jahrelang in die Tiefen des Weltraums wagen.

Andere Projekte bei Clemson konzentrierten sich auf den hydroponischen Tiefraumanbau und die Umwandlung von Abfallmolekülen in Produkte, die Astronauten benötigen, wie Polyester und Nährstoffe.

Die Idee für Popats Projekt geht auf eine Zeit zurück, als er als Doktorand an der University of California, Riverside, das erste Mal von mikrobiellen Brennstoffzellen erfuhr. Er setzte die Arbeit als Postdoc an der Arizona State University fort.

Mikrobielle Brennstoffzellen wurden ursprünglich entwickelt, um aus der chemischen Energie im Abwasser elektrischen Strom zu erzeugen, sagte er.

"Ich habe mit ein paar führenden Wissenschaftlern zusammengearbeitet, die in diesem Bereich arbeiten, während ich meinen Postdoc an der Arizona State University absolvierte", sagte Popat. "Von da an lernte ich viel über die Technologie und begann zu prüfen, wie sie optimiert werden kann, um interessante Chemikalien statt elektrischer Energie herzustellen."

Erdlinge sind es im Allgemeinen gewohnt, ihre Abfälle zu spülen, aber die Wiederverwendung für die Wasserstoffperoxidproduktion ist nicht so grob, wie es klingen mag.

Die mikrobiellen Brennstoffzellen, die Popat entwickelt, haben zwei Kammern, die durch eine Membran getrennt sind. Das Abwasser wird in eine Anodenkammer geleitet, und eine Kathodenkammer wird mit einer verdünnten Salzwasserlösung gefüllt.

"Der Inhalt der Anodenkammer vermischt sich nicht mit dem Inhalt der Kathodenkammer", sagte Popat.

Bakterien in der Anodenkammer bauen organische Substanz ab und setzen Elektronen frei. Die Elektronen durchlaufen einen externen Stromkreis zur Kathode, was zur Erzeugung von elektrischem Strom führt.

Wenn mikrobielle Brennstoffzellen hauptsächlich zur Stromerzeugung eingesetzt werden, wird der Sauerstoff in der Kathodenkammer elektrochemisch zu Wasser reduziert. Aber in dem System, das Popat erzeugt, wird die Kathodenreaktion so modifiziert, dass sie stattdessen Wasserstoffperoxid erzeugt.

Forscher haben gezeigt, dass sie Lösungen herstellen können, die ein bis zwei Prozent Wasserstoffperoxid enthalten, sagte Popat. Das ist niedriger als das, was Sie in der Apotheke kaufen, aber es könnte hoch genug sein, um Oberflächen zu reinigen und Abwasser im Weltraum zu behandeln, sagte er.

Die Forschung stimmt mit zwei der Ziele der NASA überein, sagte Popat. Die NASA möchte die Menge des auf der Internationalen Raumstation zurückgewonnenen Abwassers von 74 Prozent auf 98 Prozent erhöhen, sagte er. Und die Agentur möchte sicherstellen, dass die Oberflächen in Raumfahrzeugen sauber und vor allem frei von Biofilmen sind, sagte Popat.

Zu den Co-Investigatoren des Grants gehören Ezra Cates, Tanju Karanfil und Michael Carbajales-Dale, alle aus Clemson, und R. Sean Norman von der University of South Carolina und Jessica Furrer vom Benedict College. Michael Flynn und John Hogan vom NASA Ames Research Center werden als die wichtigsten NASA-Mitarbeiter fungieren.

Weitere Partner sind das Savannah River National Laboratory, das Naval Research Laboratory und die Unternehmen Synbiohm, Greenway Energy, Aquacycl, AquiSense Technologies und WK Dickson.

Die Finanzierung erfolgt über das etablierte Programm der NASA zur Förderung der Wettbewerbsforschung.

David Freedman, Vorsitzender des Department of Environmental Engineering and Earth Sciences in Clemson, gratulierte Popat und seinem Team zu dem Zuschuss.

"Dr. Popat und sein Team sind gut positioniert, um die Forschung in einem Bereich von strategischer Bedeutung für die NASA zu stärken und gleichzeitig den Studenten wertvolle, praktische Laborerfahrung zu vermitteln", sagte Freedman. "Der Zuschuss ist wohlverdient."