Das C.R.O.P.-System des DLR soll mithilfe eines bakteriellen Rieselfilters aus einer synthetischen oder natürlichen Urinlösung eine Nitratlösung zur Düngung von Pflanzen gewinnen. Anwendbar wäre dieses System in Lebenserhaltungssystemen in der Raumfahrt, bei der Verringerung von Dünger in der Landwirtschaft und der Behandlung von Abwässern. Am Lehrstuhl für Raumfahrttechnik der Technischen Universität München wurde zur Modellierung des C.R.O.P.-Systems eine MATLAB-Simulation in der V-HAB-Umgebung geschrieben. Ziel dieser Masterarbeit ist die Verifikation der Simulation mithilfe eines eigenen C.R.O.P.-Versuchsaufbaus. In den ersten Kapiteln dieser Arbeit werden einige Grundlagen zum Funktionsprinzip des C.R.O.P-Systems beschrieben. Hierzu gehören z.B. die bakteriellen Enzymreaktionen, welche im Rieselfilter stattfinden. Die wichtigsten Komponenten des Versuchsaufbaus sind ein Tank, in dem sich 30 Liter einer synthetischen Urinlösung befinden und ein Rieselfilter aus Lavagestein, auf dem sich ein bakterieller Biofilm bilden soll. Die Urinlösung wird durch den Filter gepumpt und die Bakterien wandeln die Inhaltsstoffe der Lösung in Ammonium und Nitrat um. Calcit soll den pH-Wert stabilisieren. Mit Sensoren werden die Konzentrationen dieser Stoffe während 74. Tage gemessen, wobei auch die Kalium-Konzentration gemessen wird, um deren Einfluss bestimmen zu können. Die bestehende V-HAB-Simulation wird an diesen Versuchsaufbau angepasst. Außerdem werden einige Bestandteile erneuert. Hierzu gehören ein detaillierteres pH-Modell auf Basis eines Linearsystems, die Berücksichtigung der Ausgasung von CO2 und Ammoniak aufgrund des Henry-Gesetzes und die pH-Stabilisierung der Lösung mithilfe von Calcit. Der Gasaustausch zwischen den Phasen berechnet ein equalizer solver, während die Temperaturen mit einem thermal infinite solver angepasst werden. Aufgrund der Messergebnisse für den pH-Wert und Nitrat befindet sich der Rieselfilter noch in der Anlaufphase. Der pH-Wert betrug zwischen 9 und 9,5, während die Nitrat-Konzentration 100 bis 300 mg L-1 betrug. Der Calcit wurde bei diesem pH-Wert nicht aufgelöst. Die Ammonium-Konzentration betrug, bedingt durch die Ausgasung von Ammoniak, 20 bis 60 mg L-1 und die Kalium-Konzentration bei Versuchsende 800 bis 1000 mg L-1. Ob Kalium die Enzymreaktionen beeinflusst konnte nicht identifiziert werden. Die Messungen wurden außerdem durch abgelaufene Kalibrierungslösungen und systematische Sensorfehler verfälscht. Die Simulation konnte nicht vollständig verifiziert werden, da kein Harnstoff verbraucht wurde. Deswegen konnten auch die anderen Reaktionen nicht ablaufen. Diese Fehlfunktion liegt vermutlich an den Eingabeparametern. Der berechnete pH-Wert lag zu Anfang allerdings bei 8,14, was den Versuchsergebnissen des DLR entspricht. Die anderen Systemkomponenten wie das Ausgasungs-Modell, der Gasaustausch zwischen den Phasen und die Temperaturanpassung funktionierten trotz Fehlfunktion wie vorgesehen.     «

Das C.R.O.P.-System des DLR soll mithilfe eines bakteriellen Rieselfilters aus einer synthetischen oder natürlichen Urinlösung eine Nitratlösung zur Düngung von Pflanzen gewinnen. Anwendbar wäre dieses System in Lebenserhaltungssystemen in der Raumfahrt, bei der Verringerung von Dünger in der Landwirtschaft und der Behandlung von Abwässern. Am Lehrstuhl für Raumfahrttechnik der Technischen Universität München wurde zur Modellierung des C.R.O.P.-Systems eine MATLAB-Simulation in der V-HAB-Umgebun...     »

DLR's C.R.O.P.-system aims to produce a nutrient solution for plants by running synthetic or natural urine through a microbiological trickling filter. Possible use cases are life support systems for spaceflight missions, waste water treatment and reduction of manure usage in agriculture. To simulate this system, the Chair of Astronautics of the Technical University of Munich wrote a MATLAB-simulation in the V-HAB environment. The goal of this thesis is to verify the simulation by building and operating a new C.R.O.P.-filter. The first chapters include basic information about the principle of the C.R.O.P. system. This includes knowledge about the enzymatic reactions caused by the bacteria inside the filter. The key components of the filter system are a tank to store 30 L of the urine solution and the trickling filter. The filter is made up of porous lava rocks. These rocks serve as a habitat for the bacteria which transform the urea inside the solution into ammonium and nitrate. Ammonium, nitrate and potassium concentrations are measured each day with sensors during 74 days. The previous C.R.O.P.-simulation is updated to match the experimental setup. Additionally, this thesis introduces new components to improve the simulation results. As an example, the pH-value of the solution is calculated by solving a linear system that considers the equilibrium reactions of all relevant substances, as well as the mass and charge balance equations. Other components simulate ammonia and carbon dioxide outgassing and calcite dissolution to stabilize the pH-value. Judging by the measured pH value and nitrate concentration, the trickling filter has not yet finished its start-up phase. The pH value amounted to 9 – 9.5, while nitrate concentrations averaged 100 – 300 mg L-1. Due to ammonia outgassing, the ammonium-concentrations averaged 20 – 60 mg L-1. Potassium-concentrations reached 800 – 1000 mg L-1 at the end of the simulation run. The measurements for potassium did not help to identify its influence on the enzyme reactions. All measurements were possibly falsified by expired calibration solutions and systematic measurement errors related to the sensors. The simulation could not be verified entirely, as no urea was consumed during the enzyme reactions. This unintended behaviour prevented the other reactions from operating normally. The calculated pH value averaged 8.14 though. This matches DLR’s measurements. The other system components, e.g. the gas and heat exchange between the phases and the outgassing of ammonia and carbon dioxide, worked as intended despite the simulation error.     «

DLR's C.R.O.P.-system aims to produce a nutrient solution for plants by running synthetic or natural urine through a microbiological trickling filter. Possible use cases are life support systems for spaceflight missions, waste water treatment and reduction of manure usage in agriculture. To simulate this system, the Chair of Astronautics of the Technical University of Munich wrote a MATLAB-simulation in the V-HAB environment. The goal of this thesis is to verify the simulation by building and o...     »