In astronautica , un sistema di supporto vitale , chiamato anche equipaggiamento vitale o mezzi di mantenimento artificiale della vita , è definito dall'insieme di tecniche che consentono la sopravvivenza di un essere umano o di un gruppo di esseri umani nell'ambiente spaziale , quindi più o meno autonomo .
Un sistema di supporto vitale deve fornire agli astronauti un ambiente vitale con sufficiente qualità e quantità di aria , acqua e cibo , ma deve anche garantire che una temperatura e una pressione accettabili siano mantenute. , Fornire una protezione sufficiente contro le aggressioni esterne come radiazioni spaziali o micro meteoriti , nonché la gestione e il riciclaggio dei rifiuti .
La conquista dello spazio è decollato alla fine della seconda guerra mondiale ed è stato uno dei punti salienti della seconda metà del XX ° secolo, ha segnato il suo debutto da una forte concorrenza tra gli Stati Uniti e Unione Sovietica, per ragioni di prestigio nazionale legate alla la guerra fredda . Il satellite sovietico Sputnik 1 ha effettuato il primo volo spaziale della storia4 ottobre 1957, e il primo volo abitato da esseri umani ha avuto luogo 12 aprile 1961con il volo orbitale del sovietico Yuri Gagarin .
Durante le prime missioni spaziali con equipaggio , l'acqua e l'ossigeno di cui i membri dell'equipaggio avevano bisogno furono portati con sé e scaricarono i loro rifiuti nello spazio, con i sistemi di sopravvivenza degli astronauti che si trovavano allora in "circuito aperto". che è ancora rilevante per la Stazione Spaziale Internazionale .
All'inizio del XXI esimo secolo corsa allo spazio si trasforma in preparazione di volo spaziale di lunga durata per esplorare il sistema solare, e anche considerando la costruzione di basi spaziali permanenti che si alterneranno le squadre, sulla Luna o su Marte per iniziare. Affinché le missioni di lunga durata siano possibili, è necessario progettare sistemi di sopravvivenza a "circuito chiuso" che permettano di limitare, o addirittura eliminare, la necessità di eventuali rifornimenti. Questi sistemi di supporto vitale chiusi dovranno svolgere varie funzioni, tra cui la produzione di cibo, il riciclaggio e il controllo della qualità dell'aria e dell'acqua.
Tutte le agenzie spaziali, compresa la NASA con ECLSS ( Environmental Control and Life Support System ) e ASE con MELiSSA ( Micro-Ecological Life Support System Alternative ), stanno conducendo studi su diversi sistemi di supporto vitale.
Per determinare i mezzi con cui mantenere in vita un equipaggio durante una missione nello spazio, è stato prima necessario determinare le caratteristiche fisiche, fisiologiche e metaboliche di un essere umano.
I valori dipendono dal sesso del soggetto (una donna consuma meno di un uomo), dalla sua massa (un nano magro è più "parsimonioso" di una persona obesa di statura media) ...
Nel suo 2004 Advanced Life Support: Baseline Values and Assumptions Document , la NASA ha riesaminato le conoscenze e le ipotesi sui sistemi di supporto vitale.
Quindi un membro dell'equipaggio con una massa media di 70 kg avrebbe un dispendio metabolico medio di 11,82 MJ al giorno, questo tasso essendo modificato dalla percentuale di massa corporea magra, dall'ambiente e dal livello di attività fisica.
I consumi e gli sprechi di un membro dell'equipaggio standard di 70 kg con un quoziente respiratorio di 0,869 (quantità di moli di anidride carbonica prodotta divisa per la quantità di moli di ossigeno consumate) sono riassunti nella tabella seguente (CM-d: per membro dell'equipaggio e al giorno):
| Equilibrio | Interfaccia | Valore medio | Unità |
| Aria | |||
| rifiuto | Emissione di anidride carbonica | 0.998 | kg / CM-d |
| consumo | Consumo di ossigeno | 0.835 | kg / CM-d |
| Alimentazione | |||
| consumo | Cibo consumato; Massa | 0.617 | kg / CM-d |
| energia in arrivo | Cibo consumato; Valore energetico | 11.82 | MJ / CM-d |
| consumo | Acqua potabile consumata | 3.909 | kg / CM-d |
| Rifiuti solidi | |||
| rifiuto | Feci (rifiuti solidi) | 0.032 | kg / CM-d |
| rifiuto | sudorazione (rifiuti solidi) | 0.018 | kg / CM-d |
| rifiuto | Urina (rifiuti solidi) | 0,059 | kg / CM-d |
| Rifiuti liquidi | |||
| rifiuto | Acqua fecale | 0.091 | kg / CM-d |
| rifiuto | Respirazione di acqua e sudore | 2.277 | kg / CM-d |
| rifiuto | Acqua nelle urine | 1.886 | kg / CM-d |
Per mantenere in vita l'equipaggio, un sistema di supporto vitale deve svolgere diverse funzioni:
La rigenerazione del dell'aria è uno dei più importanti funzioni dei sistemi di supporto vita. Di seguito i valori dei vari parametri da verificare:
| impostazioni | Unità | Basso | Nominale | Alto |
| Anidride carbonica generata | kg / CM-d | 0.466 | 0.998 | 2.241 |
| Consumo di ossigeno | kg / CM-d | 0.385 | 0.835 | 1.852 |
| p (CO 2 ) per l'equipaggio | kPa | 0.031 | 0.4 | 0.71 |
| p (CO 2 ) per le piante | kPa | 0,04 | 0.12 | TBD |
| p (O 2 ) per l'equipaggio | kPa | 18.0 | 18.0 - 23.1 | 23.1 |
| Pressione totale | kPa | 48.0 | 70.3 | 102.7 |
| Temperatura | K | 291.5 | 295.2 | 299.8 |
| Umidità relativa | % | 25 | 60 | 70 |
| Sudato acqua vapor | kg / CM-d | 0.036 | 0.699 | 1.973 |
| Vapore acqueo respirato | kg / CM-d | 0.803 | 0.885 | 0.975 |
| Tasso di perdita (volo spaziale) | % / d | 0 | 0,05 | 0.14 |
Il valore della pressione atmosferica totale è fondamentale. Alcuni preferiscono utilizzare pressioni equivalenti a quelle che si trovano a livello del mare sulla Terra (101,3 kPa), perché è sotto queste pressioni che è stata raccolta la maggior parte dei dati fisiologici umani conosciuti e garantiscono condizioni di vita ottimali per gli esseri umani per molto tempo. periodi di tempo. Altri preferiscono usare basse pressioni per ridurre la massa totale di gas richiesta, la massa totale del veicolo spaziale e per diminuire l'iperossigenazione richiesta prima di una passeggiata nello spazio in una tuta spaziale . La riduzione della pressione porta ad un aumento della percentuale di ossigeno , rispetto ad altri gas, che ha lo svantaggio di aumentare il rischio di incendio. Mentre la pressione a livello del mare sulla Terra è di 101,3 kPa, la NASA considera una pressione di 70,3 kPa come pressione nominale (Lin 1997).
Per gli esseri umani, la pressione parziale tollerabile dell'anidride carbonica è di 0,4 kPa (con un intervallo compreso tra un minimo di 0,031 kPa e un massimo di 0,71 kPa). Questa pressione è superiore a quella tollerata dalla maggior parte delle piante (circa 0,120 kPa o 1.200 ppm ), ma il limite massimo accettabile per le piante non è ancora noto. Sarebbe quindi possibile prevedere atmosfere differenti per i vani abitati e per le sale di cultura. Il normale p (CO 2 ) sulla Terra è compreso tra 0,035 kPa e 0,040 kPa (da 350 a 400 ppm ).
La conservazione del gas è necessaria per qualsiasi sistema di supporto vitale. Il gas può essere immagazzinato in recipienti pressurizzati, come fluido criogenico, adsorbito o combinato chimicamente. Il costo di stoccaggio dipende dal gas, i "gas permanenti" come l'azoto e l'ossigeno richiedono pressioni elevate e rimangono allo stato gassoso a temperatura normale, mentre i "gas non permanenti" come la CO 2 possono essere immagazzinati più facilmente in un liquido forma sotto pressione. Lo stoccaggio criogenico richiede un controllo termico costante o l'uso di una piccola quantità di gas per fornire il raffreddamento evaporativo. L'efficienza dell'adsorbimento e la combinazione chimica variano notevolmente a seconda dei gas considerati.
Il potere storicamente dimenticato delle analisi dei sistemi di supporto vitale, ha un impatto importante sul livello di autosufficienza e sul costo del supporto dell'equipaggio. Per le missioni a lungo termine, gli alimenti vegetali coltivati in loco sono una fonte di cibo, ma possono anche rigenerare parte o tutta l'aria (convertendo l'anidride carbonica in ossigeno) e l'acqua (trasformando le acque reflue in acqua potabile mediante evapotraspirazione) . Pertanto, se più del 25% del cibo, in massa secca, viene prodotto in loco, tutta l' acqua necessaria può essere rigenerata nello stesso processo. E se circa il 50% del cibo, in massa secca, viene prodotto in loco, tutta l' aria richiesta può essere rigenerata (Drysdale, et al., 1997).
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