Om vi ​​någonsin har för avsikt att skicka besättningsuppdrag till platser i rymden, då måste vi komma på lösningar för att hålla besättningarna försörjda. För astronauter ombord på den internationella rymdstationen (ISS), som regelbundet får återförsörjningsuppdrag från jorden, detta är inte ett problem. Men för uppdrag som reser till destinationer som Mars och bortom, självförsörjning är namnet på spelet.

Detta är idén bakom projekt som BIOWYSE och TIME SCALE, som utvecklas av Center for Interdisciplinary Research in Space (CIRiS) i Norge. Dessa två system handlar alla om att ge astronauter en hållbar och förnybar tillgång på dricksvatten och växtföda. Därvid, de tillgodoser två av de viktigaste behoven hos människor som utför långvariga uppdrag som kommer att ta dem långt hemifrån.

Även om ISS kan återförsörjas på så lite som sex timmar (tiden mellan lanseringen och den tid då en förrådskapsel kommer att docka med stationen), astronauter förlitar sig fortfarande på bevarandeåtgärder när de befinner sig i omloppsbana. Faktiskt, ungefär 80 % av vattnet ombord på ISS kommer från luftburen vattenånga som genereras av andning och svett, samt återvunnet duschvatten och urin – som allt är behandlat med kemikalier för att göra det säkert att dricka.

Mat är en annan sak. NASA uppskattar att varje astronaut ombord på ISS kommer att konsumera 0,83 kg (1,83 pund lbs) mat per måltid, vilket ger cirka 2,5 kg (5,5 lbs) per dag. Cirka 0,12 kg (0,27 pund) av varje måltid kommer bara från förpackningsmaterialet, vilket innebär att en enda astronaut kommer att generera nästan ett kilo avfall per dag - och det inkluderar inte ens den andra typen av "avfall" som kommer från att äta.

Kortfattat, ISS förlitar sig på kostsamma återförsörjningsuppdrag för att tillhandahålla 20 % av sitt vatten och all mat. Men om och när astronauter etablerar utposter på månen och Mars, detta kanske inte är ett alternativ. Även om man kan skicka förnödenheter till månen på tre dagar, behovet av att göra det regelbundet kommer att göra kostnaderna för att skicka mat och vatten oöverkomliga. Under tiden, det tar åtta månader för rymdfarkoster att nå Mars, vilket är totalt opraktiskt.

Så det är inte konstigt att de föreslagna uppdragsarkitekturerna för månen och Mars inkluderar in-situ resursanvändning (ISRU), där astronauter kommer att använda lokala resurser för att vara så självförsörjande som möjligt. Is på månens och marsytan, ett utmärkt exempel, kommer att skördas för att tillhandahålla dricks- och bevattningsvatten. Men uppdrag till platser i rymden kommer inte att ha det här alternativet medan de är på väg.

För att tillhandahålla en hållbar vattenförsörjning, Dr. Emmanouil Detsis och kollegor utvecklar Biocontamination Integrated Control of Wet Systems for Space Exploration (BIOWYSE). Detta projekt började som en undersökning av sätt att lagra sötvatten under långa tidsperioder, övervaka den i realtid efter tecken på kontaminering, dekontaminera det med UV-ljus (snarare än kemikalier), och fördela det efter behov.

Det resulterade i en automatiserad maskin som kunde utföra alla dessa uppgifter. Som Dr. Detsis förklarade:"Vi ville ha ett system där du tar det från A till Ö, från att lagra vattnet till att göra det tillgängligt för någon att dricka. Det betyder att du lagrar vattnet, du kan övervaka biokontaminationen, du kan desinficera om du måste, och slutligen levererar du till koppen för att dricka... När någon vill dricka vatten trycker du på knappen. Det är som en vattenkylare."

Förutom att övervaka lagrat vatten, BIOWYSE-maskinen kan också analysera våta ytor inuti en rymdfarkost för tecken på kontaminering. Det här är viktigt, på grund av fuktuppbyggnad i slutna system som rymdfarkoster och rymdstationer, vilket kan göra att vatten samlas i områden som är orena. När detta vatten har återvunnits, det blir då nödvändigt att dekontaminera allt vatten som lagras i systemet.

"Systemet är designat med framtida livsmiljöer i åtanke, " tillade Dr. Detsis. "Så en rymdstation runt månen, eller ett fältlaboratorium på Mars i decennier framöver. Det här är platser där vattnet kan ha legat där en tid innan besättningen anländer."

Projektet Teknik och innovation för utveckling av modulär utrustning i skalbara avancerade livsuppehållande system för rymdutforskning (TIME SCALE) är utformat för att återvinna vatten och näringsämnen för att växa växter. Detta projekt leds av Dr Ann-Iren Kittang Jost från Center for Interdisciplinary Research in Space (CIRiS) i Norge.

Detta system är inte olikt European Modular Cultivation System (EMCS) eller Biolab-systemet, som skickades till ISS 2006 respektive 2018 för att genomföra biologiska experiment i rymden. Med inspiration från dessa system, Dr Jost och hennes kollegor designade ett "växthus i rymden" som kunde odla växter och övervaka deras hälsa. Som hon uttryckte det:"Vi (behöver) toppmodern teknik för att odla mat för framtida rymdutforskning till månen och Mars. Vi tog (ECMS) som utgångspunkt för att definiera koncept och teknologier för att lära oss mer om att odla grödor och växter i mikrogravitation."

Ungefär som sina föregångare, Biolab och ECMS, TIME SCALE-prototypen förlitar sig på en snurrande centrifug för att simulera månens och marsgravitationen och mäter effekten detta har på växternas upptag av näringsämnen och vatten. Detta system kan också vara användbart här på jorden, tillåter växthus att återanvända näringsämnen och vatten och mer avancerad sensorteknologi för att övervaka växternas hälsa och tillväxt.

Teknik som dessa kommer att vara avgörande när det är dags att etablera en mänsklig närvaro på månen, på Mars, och för djupa rymduppdrag. Under de kommande åren, NASA planerar att göra den efterlängtade återkomsten till månen med Project Artemis, vilket kommer att vara det första steget i skapandet av vad de föreställer sig som ett program för "hållbar månutforskning".

Mycket av den visionen vilar på skapandet av en orbital livsmiljö (Lunar Gateway) såväl som infrastrukturen på ytan (Artemis Base Camp) som behövs för att stödja en bestående mänsklig närvaro. Liknande, när NASA börjar göra besättningsuppdrag till Mars, uppdragsarkitekturen kräver en orbital habitat (Mars Base Camp), troligen följt av en på ytan.

I samtliga fall, utposterna kommer att behöva vara relativt självförsörjande eftersom återförsörjningsuppdrag inte kommer att kunna nå dem på några timmar. Dr. Detsis förklarade, "Det kommer inte att vara som ISS. Du kommer inte att ha en konstant besättning hela tiden. Det kommer att finnas en period då laboratoriet kan vara tomt, och kommer inte att ha besättning förrän nästa skift kommer om tre eller fyra månader (eller längre). Vatten och andra resurser kommer att sitta där, och det kan bygga upp mikroorganismer."

Teknik som kan säkerställa att dricksvattnet är säkert, rena, och i stadig tillgång – och att växter kan odlas på ett hållbart sätt – kommer att tillåta utposter och rymduppdrag att uppnå en nivå av självförsörjning och vara mindre beroende av jorden.