Διαστημικά συστήματα υποστήριξης ζωής κλειστού κύκλου: τεχνολογίες και προοπτικές επίγειων εφαρμογών

Προφητηλιώτης, Γεώργιος; Profitiliotis, Georgios

dc.contributor.author	Προφητηλιώτης, Γεώργιος	el
dc.contributor.author	Profitiliotis, Georgios	en
dc.date.accessioned	2016-09-21T08:44:09Z
dc.date.available	2016-09-21T08:44:09Z
dc.date.issued	2016-09-21
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/43617
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.5876
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Περιβάλλον και Ανάπτυξη	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Διαστημικά συστήματα υποστήριξης ζωής	el
dc.subject	Αστροναυτική	el
dc.subject	Τεχνητά κλειστά οικοσυστήματα	el
dc.subject	Αειφορία	el
dc.subject	Μεταφορά τεχνολογίας	el
dc.subject	Space life support systems	en
dc.subject	Technology transfer	en
dc.subject	Astronautics	en
dc.subject	Artificial closed ecosystems	en
dc.subject	Sustainability	en
dc.title	Διαστημικά συστήματα υποστήριξης ζωής κλειστού κύκλου: τεχνολογίες και προοπτικές επίγειων εφαρμογών	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Αεροδιαστημική Μηχανική	el
heal.classification	Περιβαλλοντική Μηχανική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-07-01
heal.abstract	Ως τώρα, η σχέση της διαστημικής τεχνολογίας με την αειφόρο ανάπτυξη είχε διερευνηθεί μόνο υπό το πρίσμα των δορυφορικών δεδομένων. Μόλις πρόσφατα ήρθε στο προσκήνιο η προοπτική μεταφοράς τεχνολογίας από τα διαστημικά συστήματα υποστήριξης ζωής κλειστού κύκλου σε επίγειες εφαρμογές για την αειφορία. Σκοπός αυτής της εργασίας είναι, λοιπόν, πρώτον, να αναδείξει το δυναμικό αυτών των επίγειων εφαρμογών των διαστημικών τεχνολογιών υποστήριξης ζωής και, δεύτερον, να υπογραμμίσει τη δυνατότητα ερευνητικής συνέργειας των φορέων που εμπλέκονται στον τομέα του διαστήματος με εκείνους του τομέα της αειφορίας, προκειμένου να διαμορφωθεί μια κοινή στρατηγική ταυτόχρονης ανάπτυξης τεχνολογικών καινοτομιών διττής χρήσης: τόσο για το διάστημα όσο και για τη Γη. Έτσι, στο πρώτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται εκτενώς τα βασικά χαρακτηριστικά του διαστημικού περιβάλλοντος που δυσχεραίνουν την επιβίωση του ανθρώπου εκεί, έτσι ώστε να γίνει κατανοητός ο κρίσιμος ρόλος των συστημάτων υποστήριξης ζωής. Έπειτα, περιγράφονται οι λειτουργίες που οφείλει να επιτελεί κάθε τέτοιο σύστημα, με έμφαση στην παροχή οξυγόνου, νερού και τροφής, παράλληλα με την επεξεργασία των μεταβολικών αποβλήτων του πληρώματος. Με βάση αυτή τη λειτουργία διαχείρισης πόρων, παρουσιάζονται οι δύο βασικές κατηγορίες στις οποίες διακρίνονται αυτά τα συστήματα: η κατηγορία ανοιχτού κύκλου -χωρίς ανακύκλωση πόρων- και η κατηγορία κλειστού κύκλου -με ανακύκλωση πόρων-. Στη συνέχεια, μέσα από μία ανασκόπηση της ιστορικής εξέλιξης των προγραμμάτων των επανδρωμένων διαστημικών πτήσεων, φωτίζονται τα γεγονότα και οι ανάγκες που οδήγησαν στην αλλαγή υποδείγματος από τα συστήματα ανοιχτού κύκλου στα συστήματα κλειστού κύκλου. Τέλος, σημειώνεται, μετά από μία σύγκριση των δύο αυτών υποδειγμάτων, ότι η τελική επιλογή μεταξύ ενός συστήματος υποστήριξης ζωής ανοιχτού κύκλου και ενός κλειστού κύκλου εξαρτάται καθοριστικά από την απαιτούμενη μάζα προς εκτόξευση και από τη διάρκεια της επανδρωμένης αποστολής. Στο δεύτερο κεφάλαιο, η εργασία επικεντρώνεται στα συστήματα υποστήριξης ζωής κλειστού κύκλου, τα οποία είναι και τα καταλληλότερα για τις επανδρωμένες διαστημικές αποστολές μακράς διάρκειας. Αρχικά, παρουσιάζονται και περιγράφονται αναλυτικά οι διάφορες τεχνολογίες που αξιοποιούνται στον σχεδιασμό αυτών των συστημάτων, τα επίπεδα τεχνολογικής ωριμότητάς τους, καθώς και η βασική διάκρισή τους σε φυσικοχημικές και βιολογικές. Μετά από μια συγκριτική επισκόπηση αυτών των δύο διαφορετικών τεχνολογικών οικογενειών, τονίζεται ότι, εξαιτίας των πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων που εμφανίζει η κάθε μία, θα ήταν σκόπιμος ο συνδυασμός τους σε υβριδικά συστήματα υποστήριξης ζωής κλειστού κύκλου, τα οποία θα μπορούσαν να εμφανίζουν σαφώς βελτιωμένα χαρακτηριστικά από τα αμιγώς φυσικοχημικά ή τα αμιγώς βιολογικά. Τέλος, σημειώνεται πως η ανάπτυξη τέτοιων υβριδικών συστημάτων θα μπορούσε να αποτελέσει τον ενδιάμεσο σταθμό σε ένα στρατηγικό σχέδιο μετάβασης από τα αμιγώς φυσικοχημικά συστήματα στα αμιγώς βιολογικά˙ θα μπορούσε, δηλαδή, να υποβοηθήσει τη μελλοντική ανάπτυξη τεχνητών κλειστών οικοσυστημάτων και βιοσφαιρών για τον αποικισμό του διαστήματος. Στο τρίτο κεφάλαιο, γίνεται λόγος για την κατάσταση της γήινης βιόσφαιρας κατά την Ανθρωπόκαινο Εποχή και τονίζεται ο υβριδικός της χαρακτήρας που έχει προκύψει από την εντατική τεχνολογική δραστηριότητα του ανθρώπου. Αυτή η συνειδητοποίηση υποδεικνύει μία χρήσιμη συνάφεια μεταξύ της βιόσφαιρας και των μελλοντικών συστημάτων υποστήριξης ζωής κλειστού κύκλου: αφού το φυσικό περιβάλλον του ανθρώπου είναι, πλέον, υβριδικό, φαίνεται πως η ανάπτυξη υβριδικών συστημάτων υποστήριξης ζωής θα ήταν μια αρκετά δικαιολογημένη στρατηγική. Επιπροσθέτως, φωτίζεται η συνάφεια των μελλοντικών αυτών συστημάτων με τα οικοσυστήματα που είναι κλειστά ως προς την ύλη, προτού συζητηθούν αναλυτικά οι σχετικές πειραματικές εγκαταστάσεις κλειστών οικοσυστημάτων σε Ευρώπη, ΗΠΑ, Ρωσία, Ιαπωνία και Κίνα. Τέλος, σημειώνεται πως, επιπρόσθετα από τους δύο κεντρικούς στόχους αυτών των εγκαταστάσεων που είναι η εξακρίβωση των οικολογικών θεωριών και η ωρίμανση των τεχνολογιών για τα διαστημικά ενδιαιτήματα, υπάρχει μια αξιόλογη δυνατότητα αξιοποίησης των ερευνητικών τους αποτελεσμάτων και σε πιο πρακτικές επίγειες εφαρμογές. Στο τέταρτο και τελευταίο κεφάλαιο, η εργασία επικεντρώνεται στις προοπτικές αξιοποίησης των διαστημικών τεχνολογιών υποστήριξης ζωής που ωριμάζουν στα προαναφερθέντα πειραματικά κλειστά οικοσυστήματα σε δύο ευρύτερους τομείς επίγειων εφαρμογών: στις μεγαπόλεις και στα ακραία περιβάλλοντα. Οι προοπτικές αυτές οφείλονται κυρίως στην ανάγκη ορθολογικής διαχείρισης πόρων που είναι εξαιρετικά επιτακτική τόσο στο διάστημα όσο και στη Γη. Εκτός αυτής της δυνατότητας μεταφοράς τεχνολογίας, όμως, τονίζεται και η εξαιρετική ευκαιρία που ανακύπτει χάρη σε αυτήν την ευθυγράμμιση των στόχων: η ευκαιρία συνεργατικής ανάπτυξης τεχνολογικών καινοτομιών διττής χρήσης που θα μπορούν να προσαρμοστούν τόσο στο διαστημικό όσο και στο επίγειο περιβάλλον. Εν τέλει, συνάγεται το συμπέρασμα πως, αφού ο τελικός στόχος είναι η αειφόρος ανάπτυξη του ανθρώπινου πολιτισμού σε ένα ή περισσότερα ουράνια σώματα, θα ήταν αποδοτικότερο να ακολουθηθεί μία κοινή ερευνητική στρατηγική, στην οποία θα συνεισφέρουν κατάλληλα οι φορείς που εμπλέκονται τόσο με την αειφορία όσο και με την ειρηνική ανάπτυξη του διαστήματος.	el
heal.abstract	So far, the relation between space technology and sustainable development has only been investigated in the light of satellite data. It is only recently that the opportunity of technology transfer from space closed-loop life support systems to terrestrial applications for sustainability has come to the forefront. Therefore, the aim of this work is, firstly, to highlight the potential of these terrestrial applications of space life support technologies, and, secondly, to underline the possible research synergies between the various stakeholders involved in the field of space technology and in the field of sustainability, which would lead to a common R&D strategy of dual-use technological innovations: both for space and for Earth. Thus, in the first chapter, the main characteristics of the space environment that endanger human survival are extensively discussed, in order for the critical role of a life support system to be clarified. Then, the required functions of every life support system are described, with an emphasis on the provision of oxygen, water, and food, along with the treatment of the crew’s metabolic wastes. As a result of this major resource management function, one can distinguish between two main types of life support systems: the open-loop type -which makes no use of recycling-, and the closed-loop type -which does make use of recycling-. Then, through a review of the historical development of human spaceflight programs, light is shed on the events and novel needs that led to the paradigm shift from the open-loop systems to the closed-loop ones. Finally, it is emphasized -after a comparison of these two paradigms- that the final choice between an open-loop and a closed-loop life support system mainly depends on the required launch mass and the mission duration. The second chapter focuses on closed-loop life support systems, which are the most suitable for long duration manned space missions. Firstly, a presentation and a detailed description are made of the various technologies that are utilized in the design of these systems, their technology readiness levels, and their basic grouping into the physicochemical and biological families. After a comparative review of these two technological families, it is emphasized that, because of the advantages and disadvantages each one presents, it would be desirable to combine both of them into a hybrid closed-loop life support system, which might present significantly improved characteristics from the purely physicochemical or biological ones. Finally, it is noted that the development of such hybrid systems could also be considered as an intermediate checkpoint of a larger strategic plan for the transition from the purely physicochemical systems to the purely biological ones; a checkpoint that might also be of use in the light of the future development of artificial closed ecosystems and biospheres for the colonization of space. The third chapter considers the state of the Earth's biosphere during the Anthropocene Era and emphasizes its hybrid character that has emerged as a result of the intensive human technological activities. This realization indicates a useful link between the Earth’s biosphere and the future closed-loop life support systems: since the humans’ natural environment is currently a hybrid one, it seems that the development of hybrid life support systems might be a fairly sound strategy. Moreover, light is shed on the similarities between these future life support systems and the materially-closed ecosystems, followed by a detailed discussion of the relevant closed ecosystem experimental facilities in Europe, USA, Russia, Japan, and China. Finally, it is noted that, in addition to the two main objectives of these facilities which are the thorough testing of ecological theories and the maturation of space habitat technologies, there is a significant potential to use their research findings in more practical terrestrial applications. The fourth and final chapter focuses on the potential utilization of the space life support technologies -which get matured in the aforementioned experimental closed ecosystems- for two broad fields of terrestrial applications: the one of megacities and the one of extreme environments. These potential application fields mainly stem from the need for proper resource management which is an imperative both in space and on Earth. Besides these technology transfer opportunities, however, another excellent opportunity arises due to this alignment of goals: the opportunity of a collaborative technological development plan for dual-use innovations that could be adjusted for use both in space and in the terrestrial environment. Finally, it is concluded that, since the ultimate goal is indeed the sustainable development of the human civilization on one or more celestial bodies, it might be more efficient to pursue a joint research strategy, which would result from the appropriate contributions by the various stakeholders involved with sustainability as well as by those involved with the peaceful development of space.	en
heal.advisorName	Λοϊζίδου - Μαλαμή, Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Χαραλάμπους, Αικατερίνη	el
heal.committeeMemberName	Χατζημπίρος, Κίμων	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	112 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true