The simulation tool V-HAB was used to answer the research question of how the process of photosynthesis interacts with the Air Revitalization Systems (ARS) of the International Space Station (ISS) as well as the Cis-Lunar Habitat (CLH). The goal was to identify well matching ARS architectures and to enhance the system understanding by analyzing possible feedback loops. In some sort, plants will be part of a future manned mission to mars. Experience with plant growth in micro-gravity is limited and plants have not yet experienced deep space radiation outside of the earth’s magnetic field. NASA intends to address these knowledge gaps by performing plant research on the present and future habitats. Plants react very sensitive to their atmospheric surroundings but vice versa photosynthesis affects the atmospheric composition. Inside a space habitat, the latter is controlled via Air Revitalization Systems which are highly complex and entail many dynamic effects and interactions. Understanding and analyzing the overall interactions between plants and ARS is an absolute necessity to provide robust and reliant life support. One viable way to predict these interactions is by performing dynamic simulations. To address the research task, literature research on plant responds to elevated carbon dioxide levels as well as effort in defining all aspects for reasonable plant setups for near term cultivation inside space crafts was made. The necessary V-HAB foundation was built by developing a dynamic model of the Cis-Lunar Habitat with various ARS architectures. The main tradeoff was to compare an ‘open-loop’ approach including the recently developed Orion ARS CAMRAS versus using flight proven ISS components. Subsequently, the impact of the different plant setups on both habitats was analyzed by performing dynamic simulations. The results consistently pointed out that the main impacts of small-scale cultivation areas are caused by transpiration. Thus, increasing the water loop closure of the CLH was identified as the most important task. Well matching as well as non-well matching options to increase the loop closure, while using the open-loop CAMRAS system, could be identified and detailed explanations given. On the ISS, the impact varies with the location. Reasons could be found and the findings can be used to determine an optimal location for future experiments. For larger cultivation areas, which take over part of the air-revitalization functions, additional and dedicated humidity control is needed. In this case, feedback loops which limit the airrevitalization benefits could be revealed and explained. The performed research is expandable in many directions which is why in the end possible future work topics are revealed.     «

The simulation tool V-HAB was used to answer the research question of how the process of photosynthesis interacts with the Air Revitalization Systems (ARS) of the International Space Station (ISS) as well as the Cis-Lunar Habitat (CLH). The goal was to identify well matching ARS architectures and to enhance the system understanding by analyzing possible feedback loops. In some sort, plants will be part of a future manned mission to mars. Experience with plant growth in micro-gravity is limited a...     »

Mit Hilfe des Simulationstools V-HAB wurde im Rahmen dieser Masterarbeit die Forschungsfrage, in wie fern die Fotosynthese von Pflanzen mit den Atmosphärenwiederaufbereitungssystemen (engl. Air-Revitalization Systems, ARS) der Internationalen Raumstation (ISS) sowie des Cis-Lunar Habitats (CLH) interagiert, analysiert und beantwortet. Da Pflanzen bisher stets durch das Erdmagnetfeld vor weiten Teilen der schädlichen Weltraumstrahlung geschützt waren gibt es auch keinerlei Erkenntnis darüber, welche Auswirkungen diese auf die Pflanzen hat. Ein detailliertes Verständnis für extraterrestrische Einflüsse ist jedoch von essentieller Bedeutung um zuverlässige bioregenerative Lebenserhaltungssysteme für bemannten Langzeitmissionen zu entwickeln. Daher plant die NASA, aktuelle und zukünftige Raumstationen als Plattformen zur Durchführung wissenschaftlicher Experimente an Pflanzen zu nutzen. Pflanzen reagieren sehr sensibel auf ihre umgebende Atmosphäre, umgekehrt wird diese durch die Fotosynthese beeinflusst. In einer Raumstation wird die atmosphärische Zusammensetzung der Luft durch ARS kontrolliert. Diese sind sehr komplex und beinhalten eine Vielzahl interner Interaktionen. Um zukünftig weiterhin für zuverlässige und robuste Lebenserhaltung sorgen zu können, müssen die Interaktionen zwischen Pflanzen und ARS analysiert und verstanden werden. Eine Möglichkeit dies zu tun besteht in der Durchführung dynamischer Simulationen. Mit Hilfe einer Literaturrecherche wurde zunächst herausgearbeitet, ob und wie sich die Fotosyntheseprozesse bei hohen Kohlenstoffdioxidkonzentrationen verändern. Anschließend wurden Pflanzensetups entwickelt, welche allen Anforderungen realer Anwendungen in einer Raumstation genügen. Die notwendige V-HAB Grundlage wurde durch das Erstellen eines dynamischen Modells des Cis-Lunar Habitats mit unterschiedlichen ARS Architekturen geschaffen. Dabei lag der Fokus auf einem Vergleich zwischen dem kürzlich entwickelten ‚open-loop‘ CAMRAS System und ‚closed-loop‘ ARS Komponenten welche sich bereits im All bewährt haben. Anschließend wurde der Einfluss der Pflanzen auf die beiden Stationen mit Hilfe einer Vielzahl an dynamischen Simulationen analysiert. Die Ergebnisse machen deutlich, dass die unvermeidliche Transpiration der Pflanzen der Haupteinfluss kleiner Anbauflächen ist. Auf Grundlage dessen wurde eine bestmögliche Schließung des Wasserkreislaufs als wichtigstes Optimierungskriterium definiert. Geeignete sowie weniger geeignete Ansätze dies zu tun konnten aufgezeigt und detailliert begründet werden. Auf der ISS variiert der Einfluss sehr stark mit der Lage der Pflanzen. Gründe wurden diskutiert und können dazu genutzt werden, optimale Standorte für zukünftige Experimente zu finden. Größere Anbauflächen, bei denen die Fotosynthese einen Teil der Atmosphärenwiederaufbereitung übernimmt benötigen zusätzliche Wasserrückgewinnungssysteme, da die bereits vorhandenen Systeme nicht ausreichen um alle Anforderungen zu erfüllen. In diesem Fall konnten Rückkopplungseffekte ausfindig gemacht werden, welche die Vorteile limitieren. Die in dieser Arbeit präsentierte Forschung ist in eine Vielzahl von Forschungsfragen erweiterbar welche am Ende aufgezeigt und diskutiert werden.     «

Mit Hilfe des Simulationstools V-HAB wurde im Rahmen dieser Masterarbeit die Forschungsfrage, in wie fern die Fotosynthese von Pflanzen mit den Atmosphärenwiederaufbereitungssystemen (engl. Air-Revitalization Systems, ARS) der Internationalen Raumstation (ISS) sowie des Cis-Lunar Habitats (CLH) interagiert, analysiert und beantwortet. Da Pflanzen bisher stets durch das Erdmagnetfeld vor weiten Teilen der schädlichen Weltraumstrahlung geschützt waren gibt es auch keinerlei Erkenntnis darüber, we...     »