background image

 

August 2004 

NASA/CR—2004–208941 

 

 

Advanced Life Support  
Baseline Values and Assumptions Document 

 

Anthony J. Hanford, Ph.D., Editor 
Lockheed Martin Space Operations 
Houston, Texas  77058 

 
 
 
 
 

 
 

 

background image

 

THE NASA STI PROGRAM OFFICE â€¦ IN PROFILE 

 

Since its founding, NASA has been dedicated to 
the advancement of aeronautics and space 
science. The NASA Scientific and Technical 
Information (STI) Program Office plays a key 
part in helping NASA maintain this important 
role. 
 
The NASA STI Program Office is operated by 
Langley Research Center, the lead center for 
NASA’s scientific and technical information. The 
NASA STI Program Office provides access to the 
NASA STI Database, the largest collection of 
aeronautical and space science in the world. The 
Program Office is also NASA’s institutional 
mechanism for disseminating the results of its 
research and development activities. These results 
are published by NASA in the NASA STI Report 
Series, which includes the following report types: 
 

•

 

TECHNICAL PUBLICATION. Reports 
containing completed research or major 
significant phases of research. Also presents 
the results of NASA programs (including 
extensive data or theoretical analysis). 
Includes compilations of significant scientific 
and technical data and information deemed to 
be of continuing reference value. This is the 
NASA equivalent of peer-reviewed, formal, 
professional papers, but has less stringent 
limitations on manuscript length and extent of 
graphic presentations. 

 

•

 

TECHNICAL MEMORANDUM. Scientific 
and technical findings that are preliminary or 
of specialized interest. For example, quick 
release reports, working papers, and 
bibliographies that contain minimal 
annotation. Does not contain extensive 
analysis. 

 

•

 

CONTRACTOR REPORT. Scientific and 
technical findings by NASA-sponsored 
contractors and grantees. 

•

 

CONFERENCE PUBLICATION. Collected 
papers from scientific and technical 
conferences, symposia, seminars, or other 
meetings sponsored or cosponsored by 
NASA. 

 

•

 

SPECIAL PUBLICATION. Scientific, 
technical, or historical information from 
NASA programs, projects, and missions, 
often concerned with subjects having 
substantial public interest. 

 

•

 

TECHNICAL TRANSLATION. English-
language translations of foreign scientific 
and technical material pertinent to NASA’s 
mission. 

 
Specialized services that complement the STI 
Program Office’s diverse offerings include 
creating custom thesauri, building customized 
databases, organizing and publishing research 
results, and even providing videos. 
 
For more information about the NASA STI 
Program Office, see the following: 
 
Access the NASA STI Program Home Page at 

http://www.sti.nasa.gov

 
E-mail your question via the Internet to 
help@sti.nasa.gov. 
 
Fax your question to the NASA STI Help Desk 
at (301) 621-0134. 
 
Telephone the NASA STI Help Desk at  
(301) 621-0390. 
 
Write to: 
          NASA Access Help Desk 
          NASA Center for AeroSpace Information 
          7121 Standard Drive 
          Hanover, MD 21076-1320 

background image

 

 

 

NASA/CR—2004–208941 

 

 

Advanced Life Support  
Baseline Values and Assumptions Document 

 

Anthony J. Hanford, Ph.D., Editor 
Lockheed Martin Space Operations 
Houston, Texas  77058 

 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

National Aeronautics and  
Space Administration 
 
Johnson Space Center 
Houston, Texas 77058-3696 
 

background image

 

 

 

Acknowledgments 

 

This document, prepared under Lockheed Martin Space Operations Technical Work Plan 
MHECECAEX, was previously published as JSC 47804A. Michael K. Ewert was the NASA 
official responsible for oversight of this project. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 

Available from: 

 

NASA Center for AeroSpace Information 

National Technical Information Service 

7121 Standard Drive 

5285 Port Royal Road 

Hanover, MD 21076-1320 

Springfield, VA 22161 

 

 

This report is also available in electronic form at http://ston.jsc.nasa.gov/collections/NTRS

background image

Contents 

Section  

 

Page 

1

 

I

NTRODUCTION

.................................................................................................................................2

 

1.1

 

P

URPOSE AND 

P

ROCESS

..................................................................................................................2

 

1.2

 

A

DVANTAGES

.................................................................................................................................3

 

1.3

 

S

YSTEMS 

I

NTEGRATION

,

 

M

ODELING

,

 AND 

A

NALYSIS 

E

LEMENT

....................................................3

 

1.4

 

A

CKNOWLEDGEMENT

.....................................................................................................................3

 

2

 

A

PPROACH

........................................................................................................................................4

 

2.1

 

D

EVELOPMENT

...............................................................................................................................4

 

2.2

 

C

ONTEXT

........................................................................................................................................4

 

2.3

 

B

ACKGROUND

................................................................................................................................4

 

2.3.1

 

Equivalent System Mass Description.........................................................................................4

 

2.3.2

 

Definition of Infrastructure ........................................................................................................4

 

2.3.3

 

Definition of Modeling ..............................................................................................................5

 

2.3.4

 

Units and Values ........................................................................................................................5

 

2.4

 

L

IFE 

S

UPPORT 

S

UBSYSTEMS 

W

ITHIN THE 

A

DVANCED 

L

IFE 

S

UPPORT 

P

ROJECT

..............................5

 

2.5

 

A

PPLICABLE 

D

OCUMENTS

..............................................................................................................7

 

3

 

O

VERALL 

A

SSUMPTIONS

..................................................................................................................9

 

3.1

 

M

ISSIONS

.......................................................................................................................................9

 

3.1.1

 

Typical Values for Exploration Missions...................................................................................9

 

3.1.2

 

Long-Term Extraterrestrial Bases ............................................................................................10

 

3.2

 

I

NFRASTRUCTURE 

C

OSTS AND 

E

QUIVALENCIES

...........................................................................11

 

3.2.1

 

Pressurized Volume or Primary Structure Costs......................................................................18

 

3.2.2

 

Secondary Structure Costs .......................................................................................................24

 

3.2.3

 

Power Costs .............................................................................................................................24

 

3.2.4

 

Thermal Energy Management Costs........................................................................................29

 

3.2.5

 

Crewtime Costs........................................................................................................................32

 

3.2.6

 

Location Factors.......................................................................................................................32

 

3.3

 

C

REW 

C

HARACTERISTICS

.............................................................................................................33

 

3.3.1

 

Crew Metabolic Rate ...............................................................................................................33

 

3.3.2

 

Crewtime Estimates .................................................................................................................34

 

3.3.3

 

Nominal Human Interfaces ......................................................................................................37

 

4

 

L

IFE 

S

UPPORT 

S

UBSYSTEM 

A

SSUMPTIONS AND 

V

ALUES

..............................................................39

 

4.1

 

A

IR 

S

UBSYSTEM

...........................................................................................................................39

 

4.1.1

 

Design Values for Atmospheric Systems.................................................................................39

 

4.1.2

 

Gas Storage ..............................................................................................................................42

 

4.2

 

B

IOMASS 

S

UBSYSTEM

..................................................................................................................42

 

4.2.1

 

Plant Growth Chambers ...........................................................................................................42

 

4.2.1.1

 

Lighting Assumptions ..........................................................................................................................42

 

4.2.1.2

 

Lighting Equipment Data .....................................................................................................................43

 

4.2.1.3

 

Plant Growth Chamber Cost Factors ....................................................................................................44

 

4.2.1.4

 

Biomass Production Chamber Specifications for an Integrated Test Facility.......................................44

 

4.2.2

 

Plant Values .............................................................................................................................46

 

4.2.2.1

 

Static Values Describing Plant Growth ................................................................................................46

 

4.2.2.2

 

Static Values to Support Plant Growth.................................................................................................51

 

4.2.3

 

Modified Energy Cascade Models for Crop Growth ...............................................................53

 

4.2.3.1

 

Modified Energy Cascade Models for Crop Biomass Production ........................................................53

 

4.2.3.2

 

Modified Energy Cascade Models for Crop Transpiration...................................................................59

 

4.2.3.3

 

Modified Energy Cascade Model Constants for Nominal Temperature Regimes and Photoperiods ...61

 

4.3

 

F

OOD 

S

UBSYSTEM

........................................................................................................................66

 

4.3.1

 

Physical Parameters for Historical Food Flight Systems .........................................................66

 

4.3.2

 

Physical Parameters of Refrigeration Equipment ....................................................................67

 

4.3.3

 

Crewtime for the Food Subsystem...........................................................................................69

 

4.3.4

 

Food Subsystem Waste Generation .........................................................................................69

 

4.3.5

 

Overall Food Subsystem Parameters........................................................................................69

 

background image

Contents 

Section  

 

Page 

ii 

4.3.6

 

Food Subsystems Based on Biomass Production Systems.......................................................70

 

4.3.7

 

Food Processing .......................................................................................................................77

 

4.4

 

T

HERMAL 

M

ANAGEMENT

.............................................................................................................77

 

4.4.1

 

Heat Transfer Mechanisms ......................................................................................................78

 

4.4.1.1

 

Conduction ...........................................................................................................................................78

 

4.4.1.2

 

Convection ...........................................................................................................................................78

 

4.4.1.3

 

Radiation ..............................................................................................................................................78

 

4.4.1.4

 

Heat Transfer with Phase Change ........................................................................................................79

 

4.4.2

 

Thermal Management Organization.........................................................................................79

 

4.4.2.1

 

Passive and Active Thermal Management ...........................................................................................79

 

4.4.2.2

 

Thermal Subsystem and Cooling External Interface ............................................................................80

 

4.4.2.3

 

General Thermal Management Architecture ........................................................................................80

 

4.4.3

 

Thermal Management Technology ..........................................................................................83

 

4.4.3.1

 

Historical Thermal Management Approaches ......................................................................................83

 

4.4.3.2

 

Advanced Thermal Management Approaches......................................................................................85

 

4.4.4

 

Radiant Energy Balance...........................................................................................................86

 

4.4.5

 

Thermal Management Values ..................................................................................................87

 

4.5

 

W

ASTE 

S

UBSYSTEM

.....................................................................................................................90

 

4.5.1

 

Historical Data on Skylab ........................................................................................................91

 

4.5.2

 

Historical Waste Loads from Shuttle Missions........................................................................91

 

4.5.3

 

Solid Waste Management for the International Space Station Mission ...................................93

 

4.5.4

 

Solid Waste Management for Future Long-Duration Missions .............................................100

 

4.5.4.1

 

Feces ..................................................................................................................................................102

 

4.5.4.2

 

Urine ..................................................................................................................................................102

 

4.5.4.3

 

Menstruation ......................................................................................................................................103

 

4.5.4.4

 

Toilet Paper ........................................................................................................................................103

 

4.5.4.5

 

Miscellaneous Body Wastes...............................................................................................................104

 

4.5.4.6

 

Consumable Hygiene Products...........................................................................................................105

 

4.5.4.7

 

Food Packaging, Inedible Biomass, and Wasted Food.......................................................................105

 

4.5.4.8

 

Paper, Tape, Miscellaneous Hygiene Products, and Clothing ............................................................106

 

4.5.4.9

 

Greywater and Brine ..........................................................................................................................107

 

4.5.4.10

 

Other Waste Streams..........................................................................................................................107

 

4.6

 

W

ATER 

S

UBSYSTEM

...................................................................................................................109

 

4.6.1

 

Design Values for Water Subsystems ....................................................................................109

 

4.6.2

 

Wastewater Component Contaminant Loading .....................................................................112

 

4.6.3

 

Wastewater and Intermediate Water System Solution Formulations for Testing ..................117

 

4.6.3.1

 

Transit Mission Wastewater Ersatz ....................................................................................................118

 

4.6.3.2

 

Early Planetary Base Wastewater Ersatz............................................................................................120

 

4.6.3.3

 

Biological Water Processor Effluent Ersatz .......................................................................................123

 

4.6.3.4

 

Reverse Osmosis Subsystem Permeate Ersatz....................................................................................125

 

4.6.3.5

 

Air Evaporation Subsystem Condensate Ersatz..................................................................................130

 

5

 

L

IFE 

S

UPPORT 

E

XTERNAL 

I

NTERFACE 

A

SSUMPTIONS AND 

V

ALUES

..........................................135

 

5.1

 

C

OOLING 

E

XTERNAL 

I

NTERFACE

................................................................................................135

 

5.2

 

E

XTRAVEHICULAR 

A

CTIVITY 

S

UPPORT 

E

XTERNAL 

I

NTERFACE

.................................................135

 

5.2.1

 

Operations During Transit to Mars ........................................................................................136

 

5.2.2

 

Martian Surface Operations ...................................................................................................137

 

5.2.3

 

Lunar Surface Operations ......................................................................................................138

 

5.3

 

H

UMAN 

A

CCOMMODATIONS 

E

XTERNAL 

I

NTERFACE

..................................................................139

 

5.3.1

 

Clothing .................................................................................................................................139

 

5.4

 

I

N

-S

ITU 

R

ESOURCE 

U

TILIZATION 

E

XTERNAL 

I

NTERFACE

...........................................................140

 

5.5

 

I

NTEGRATED 

C

ONTROL 

E

XTERNAL 

I

NTERFACE

..........................................................................142

 

5.5.1

 

Sensors ...................................................................................................................................142

 

5.6

 

P

OWER 

E

XTERNAL 

I

NTERFACE

...................................................................................................143

 

5.7

 

R

ADIATION 

P

ROTECTION 

E

XTERNAL 

I

NTERFACE

.......................................................................143

 

6

 

R

EFERENCES

.................................................................................................................................144

 

background image

Contents 

Section  

 

Page 

iii 

7

 

A

PPENDICES

..................................................................................................................................154

 

7.1

 

A

PPENDIX 

A:

  

A

CRONYMS AND 

A

BBREVIATIONS

.......................................................................154

 

7.2

 

A

PPENDIX 

B:

  

A

BBREVIATIONS FOR 

U

NITS

.................................................................................156

 

7.3

 

A

PPENDIX 

C:

  

L

IFE 

S

UPPORT 

E

QUIPMENT 

P

ARAMETERS FROM THE 

A

DVANCED 

L

IFE 

S

UPPORT 

D

ATABASE

..................................................................................................................157

 

7.3.1

 

International Space Station ....................................................................................................157

 

7.3.2

 

Spacelab .................................................................................................................................163

 

7.3.3

 

Space Shuttle Program ...........................................................................................................165 

background image

Tables 

iv 

Table 2.4.1

 

Advanced Life Support Subsystem Descriptions and Interfaces ............................................6

 

Table 2.4.2

 

Advanced Life Support External Interfaces Descriptions and Interfaces ...............................7

 

Table 3.2.1

 

Luna Mission Infrastructure Costs........................................................................................14

 

Table 3.2.2

 

Mars Mission Infrastructure Costs........................................................................................16

 

Table 3.2.3

 

Cost of Pressurized Volume .................................................................................................19

 

Table 3.2.4

 

Masses of Inflatable Shell Components................................................................................21

 

Table 3.2.5

 

Estimated Masses and Volume-Mass Penalties for Inflatable Module Configurations........22

 

Table 3.2.6

 

Estimated Masses for Inflatable Modules.............................................................................23

 

Table 3.2.7

 

Secondary Structure Masses .................................................................................................24

 

Table 3.2.8

 

Advanced Mission Power Costs and Equivalencies .............................................................28

 

Table 3.2.9

 

Advanced Mission Thermal Energy Management Costs and Equivalencies........................31

 

Table 3.2.10

 

Location Factors for Near-Term Missions............................................................................32

 

Table 3.3.1

 

Crewmember Mass Limits....................................................................................................34

 

Table 3.3.2

 

Human Metabolic Rates .......................................................................................................34

 

Table 3.3.3

 

Time Allocation for a Nominal Crew Schedule in a Weightless Environment  ...................35

 

Table 3.3.4

 

Crewtime per Crewmember per Week .................................................................................35

 

Table 3.3.5

 

Crewtime-Mass Penalty Values Based Upon Fiscal Year 2001 Advanced Life Support 

Research and Technology Development Metric...................................................................36

 

Table 3.3.6

 

Summary of Nominal Human Metabolic Interface Values ..................................................38

 

Table 4.1.1

 

Typical Steady-State Values for Vehicle Atmospheres........................................................39

 

Table 4.1.2

 

Model for Trace Contaminant Generation from Human Metabolism ..................................40

 

Table 4.1.3

 

Model for Trace Contaminant Generation from Cabin Equipment  .....................................41

 

Table 4.1.4

 

Gas Storage...........................................................................................................................42

 

Table 4.2.1

 

Lighting Data........................................................................................................................42

 

Table 4.2.2

 

High Pressure Sodium Lighting Data ...................................................................................43

 

Table 4.2.3

 

Plant Growth Chamber Equivalent System Mass per Growing Area ...................................44

 

Table 4.2.4

 

Physical Parameters for the First Biomass Production Chamber in BIO-Plex .....................45

 

Table 4.2.5

 

Growing Area Dimensions for the First BIO-Plex Biomass Production Chamber...............46

 

Table 4.2.6

 

Advanced Life Support Cultivars, Intended Usage, and Environmental Growth Conditions47

 

Table 4.2.7

 

Overall Physical Properties at Maturity for Nominal Crops.................................................48

 

Table 4.2.8

 

Nominal and Highest Biomass Production, Composition, and Metabolic Products.............49

 

Table 4.2.9

 

Inedible Biomass Generation for Advanced Life Support Diets ..........................................50

 

Table 4.2.10

 

Plant Growth and Support Requirements per Dry Biomass .................................................51

 

Table 4.2.11

 

Composition of Initial Nutrient Solution ..............................................................................52

 

Table 4.2.12

 

Composition of Replenishment Nutrient Solution................................................................52

 

Table 4.2.13

 

Values for the Exponent n in MEC Models..........................................................................53

 

Table 4.2.14

 

Summary of Modified Energy Cascade Model Variables for Biomass Production..............55

 

Table 4.2.15

 

Biomass Production Model Constants .................................................................................56

 

Table 4.2.16

 

Format for Tables of Coefficients for Equations Employing MPR Fits ...............................57

 

Table 4.2.17

 

Maximum Canopy Quantum Yield, CQY

 MAX

, Coefficients for Dry Bean ..........................57

 

Table 4.2.18

 

Maximum Canopy Quantum Yield, CQY

 MAX

, Coefficients for Lettuce..............................57

 

Table 4.2.19

 

Maximum Canopy Quantum Yield, CQY

 MAX

, Coefficients for Peanut...............................57

 

Table 4.2.20

 

Maximum Canopy Quantum Yield, CQY

 MAX

, Coefficients for Rice ..................................58

 

Table 4.2.21

 

Maximum Canopy Quantum Yield, CQY

 MAX

, Coefficients for Soybean............................58

 

Table 4.2.22

 

Maximum Canopy Quantum Yield, CQY

 MAX

, Coefficients for Sweet Potato.....................58

 

Table 4.2.23

 

Maximum Canopy Quantum Yield, CQY

 MAX

, Coefficients for Tomato .............................58

 

Table 4.2.24

 

Maximum Canopy Quantum Yield, CQY

 MAX

, Coefficients for Wheat ...............................58

 

Table 4.2.25

 

Maximum Canopy Quantum Yield, CQY

 MAX

, Coefficients for White Potato.....................59

 

Table 4.2.26

 

Summary of Modified Energy Cascade Model Variables for Canopy Transpiration...........60

 

Table 4.2.27

 

Nominal Temperature Regimes, Planting Densities, and Photoperiods 

for the Plant Growth and Transpiration Models ...................................................................61

 

Table 4.2.28

 

Biomass Production Model Time Constants for Nominal Temperature Regime 

and Photoperiod....................................................................................................................62

 

Table 4.2.29

 

Biomass Carbon and Oxygen Production Fractions for Nominal Temperature Regime 

and Photoperiod....................................................................................................................62

 

Table 4.2.30

 

Canopy Closure Time, t

A

, Coefficients for Dry Bean with Nominal Conditions .................63

 

background image

Tables 

Table 4.2.31

 

Canopy Closure Time, t

A

, Coefficients for Lettuce with Nominal Conditions.....................63

 

Table 4.2.32

 

Canopy Closure Time, t

A

, Coefficients for Peanut with Nominal Conditions......................63

 

Table 4.2.33

 

Canopy Closure Time, t

A

, Coefficients for Rice with Nominal Conditions .........................63

 

Table 4.2.34

 

Canopy Closure Time, t

A

, Coefficients for Soybean with Nominal Conditions...................64

 

Table 4.2.35

 

Canopy Closure Time, t

A

, Coefficients for Sweet Potato with Nominal Conditions............64

 

Table 4.2.36

 

Canopy Closure Time, t

A

, Coefficients for Tomato with Nominal Conditions ....................64

 

Table 4.2.37

 

Canopy Closure Time, t

A

, Coefficients for Wheat with Nominal Conditions ......................64

 

Table 4.2.38

 

Canopy Closure Time, t

A

, Coefficients for White Potato with Nominal Conditions............64

 

Table 4.2.39

 

MEC Model Parameters for Low-Light Conditions, Nominal Temperature Regimes .........65

 

Table 4.3.1

 

Historical and Near-Term Food Subsystem Masses.............................................................67

 

Table 4.3.2

 

International Space Station Refrigerator/Freezer Properties ................................................68

 

Table 4.3.3

 

Frozen Food Storage on a Property per Frozen-Food-Mass Basis .......................................68

 

Table 4.3.4

 

Food Quantity and Packaging...............................................................................................70

 

Table 4.3.5

 

Menu Masses for Diets Using Advanced Life Support Crops and Resupplied Foods..........71

 

Table 4.3.6

 

Nutritional Content of Diets Using Advanced Life Support Crops and Resupplied Foods..72

 

Table 4.3.7

 

Properties of Early Mars Diets for Intravehicular Activities Using Resupplied Foods ........73

 

Table 4.3.8

 

Nutritional Content of Early Mars Diets for Intravehicular Activities Using Resupplied Foods

..............................................................................................................................................74

 

Table 4.3.9

 

Menu Masses for Diets Using Advanced Life Support Crops and Resupplied Foods..........75

 

Table 4.3.10

 

Nutritional Content of Diets Using Advanced Life Support Crops and Resupplied Foods..76

 

Table 4.3.11

 

Updated ALS Salad Crop Only Dietary Contributions.........................................................77

 

Table 4.3.12

 

Overall Crops Masses for Updated Salad Crop Only Diet ...................................................77

 

Table 4.4.1

 

Surface Optical Properties for Common Exterior Space Material........................................88

 

Table 4.4.2

 

Crew Cabin Thermal Ranges................................................................................................88

 

Table 4.4.3

 

Transport Properties for Common Thermal Management Loop Working Fluids.................89

 

Table 4.4.4

 

Thermodynamic Properties of Common Thermal Management Phase-Change Materials  for 

Liquid-Vapor Transitions .....................................................................................................90

 

Table 4.4.5

 

Thermodynamic Properties of Common Thermal Management Phase-Change Materials  for 

Solid-Liquid Transitions.......................................................................................................90

 

Table 4.5.1

 

Waste Analysis for STS-51D Trash......................................................................................92

 

Table 4.5.2

 

Shuttle Crew Provision Wastes from Past Missions.............................................................93

 

Table 4.5.3

 

International Space Station Reference Mission Vehicle Wastes ..........................................94

 

Table 4.5.4

 

Advanced Mars Exploration Reference Mission Vehicle Wastes ........................................97

 

Table 4.5.5

 

Summary Information on Wastes for Developing Waste Models for Future Long-Duration 

Missions .............................................................................................................................101

 

Table 4.5.6

 

Information on Feces ..........................................................................................................102

 

Table 4.5.7

 

Information on Urine ..........................................................................................................103

 

Table 4.5.8

 

Information on Menstruation..............................................................................................103

 

Table 4.5.9

 

Information on Toilet Paper................................................................................................104

 

Table 4.5.10

 

Information on Miscellaneous Body Wastes ......................................................................104

 

Table 4.5.11

 

Information on Consumable Hygiene Products..................................................................105

 

Table 4.5.12

 

Information on Food Packaging, Inedible Biomass, and Wasted Food..............................106

 

Table 4.5.13

 

Information on Paper, Tape, Miscellaneous Hygiene Products, and Clothing ...................107

 

Table 4.5.14

 

Information on Other Waste Streams .................................................................................108

 

Table 4.6.1

 

Steady-State Values for Vehicle Water Usage for Short-Duration Missions ....................109

 

Table 4.6.2

 

Typical Steady-State Water Usage Rates for Various Missions ........................................110

 

Table 4.6.3

 

Typical Steady-State Wastewater Generation Rates for Various Missions ........................111

 

Table 4.6.4

 

Wastewater Contaminants in Extravehicular Mobility Unit Stream...................................112

 

Table 4.6.5

 

Wastewater Contaminants in Crew Latent Condensate......................................................113

 

Table 4.6.6

 

Wastewater Contaminants in Crew Shower Stream ...........................................................114

 

Table 4.6.7

 

Wastewater Contaminants in Crew Hygiene Stream..........................................................115

 

Table 4.6.8

 

Wastewater Contaminants in Crew Urine Stream ..............................................................116

 

Table 4.6.9

 

Wastewater Contaminants in Animal Latent Condensate...................................................117

 

Table 4.6.10

 

Concentrate 1: Urine 1 – Organic Compounds for TM Wastewater Ersatz (C1)  ..............118

 

Table 4.6.11

 

Concentrate 2: Urine 2 – Inorganic Compounds for TM Wastewater Ersatz (C2) ............118

 

Table 4.6.12

 

Concentrate 3: Humidity Condensate for TM Wastewater Ersatz (C3) .............................119

 

background image

Tables 

vi 

Table 4.6.13

 

Concentrate 4: Sabatier Product Water for TM Wastewater Ersatz (C4) ...........................119

 

Table 4.6.14

 

US Urine Pretreatment (per liter of wastewater) for TM Wastewater Ersatz .....................119

 

Table 4.6.15

 

Average Solution Properties for Transit Mission Wastewater Ersatz.................................120

 

Table 4.6.16

 

Concentrate 1: Inorganic Compounds 1 for EPB Wastewater Ersatz (C1) ........................121

 

Table 4.6.17

 

Concentrate 2:  Inorganic Compounds 2 for EPB Wastewater Ersatz (C2) .......................121

 

Table 4.6.18

 

Concentrate 3: Humidity Condensate for EPB Wastewater Ersatz (C3)  ...........................121

 

Table 4.6.19

 

Concentrate 4: Sabatier Product Water for EPB Wastewater Ersatz (C4) .........................121

 

Table 4.6.20

 

Concentrate 5: Hygiene Water for EPB Wastewater Ersatz (C5) ......................................122

 

Table 4.6.21

 

Concentrate 6: Urine Organics for EPB Wastewater Ersatz (C6) ......................................122

 

Table 4.6.22

 

Average Solution Properties for Early Planetary Base Wastewater Ersatz ........................123

 

Table 4.6.23

 

Concentrate 1: Inorganic Compounds 1 for BWP Effluent Ersatz (C1)  ............................123

 

Table 4.6.24

 

Concentrate 2: Inorganic Compounds 2 for BWP Effluent Ersatz (C2)  ............................124

 

Table 4.6.25

 

Concentrate 3: Soluble Organic Compounds for BWP Effluent Ersatz (C3)  ....................124

 

Table 4.6.26

 

Concentrate 4: Insoluble Organic Compounds for BWP Effluent Ersatz (C4) ..................124

 

Table 4.6.27

 

Concentrate 5: Volatile Organic Carbon Compounds for BWP Effluent Ersatz (C5) .......124

 

Table 4.6.28

 

Average Solution Properties for Biological Water Processor Effluent Ersatz....................125

 

Table 4.6.29

 

Concentrate 1: Inorganic Compounds 1 for RO Permeate (Nominal) Ersatz (C1) ............126

 

Table 4.6.30

 

Concentrate 2: Inorganic Compounds 2 for RO Permeate (Nominal) Ersatz (C2) ............126

 

Table 4.6.31

 

Concentrate 3: Soluble Organic Compounds for RO Permeate (Nominal) Ersatz (C3)  ....126

 

Table 4.6.32

 

Concentrate 4: Insoluble Organic Compounds for RO Permeate (Nominal) Ersatz (C4)  .126

 

Table 4.6.33

 

Concentrate 5: Volatile Organic Compounds for RO Permeate (Nominal) Ersatz (C5)  ...126

 

Table 4.6.34

 

Average Solution Properties for Reverse Osmosis Permeate (Nominal) Ersatz.................127

 

Table 4.6.35

 

Concentrate 1: Inorganic Compounds 1 for RO Permeate (Worst-case) Ersatz (C1) ........128

 

Table 4.6.36

 

Concentrate 2: Inorganic Compounds 2 for RO Permeate (Worst-case) Ersatz (C2) ........128

 

Table 4.6.37

 

Concentrate 3: Soluble Organic Compounds for RO Permeate (Worst-case) Ersatz (C3)  128

 

Table 4.6.38

 

Concentrate 4: Insoluble Organic Compounds for RO Permeate (Worst-case) Ersatz (C4) 128

 

Table 4.6.39

 

Concentrate 5: Volatile Organic Compounds for RO Permeate (Worst-case) Ersatz (C5) 129

 

Table 4.6.40

 

Average Solution Properties for Reverse Osmosis Permeate (Worst-case) Ersatz.............130

 

Table 4.6.41

 

Concentrate 1: Inorganic Compounds for AES Condensate (Nominal) Ersatz (C1)  .........130

 

Table 4.6.42

 

Concentrate 3: Soluble Organic Compounds for AES Condensate (Nominal) Ersatz (C3) 130

 

Table 4.6.43

 

Concentrate 4: Insoluble Organic Compounds for AES Condensate (Nominal) Ersatz C4) 131

 

Table 4.6.44

 

Concentrate 5: Volatile Organic Compounds for AES Condensate (Nominal) Ersatz (C5) 131

 

Table 4.6.45

 

Average Solution Properties for Air Evaporation Condensate (Nominal) Ersatz...............132

 

Table 4.6.46

 

Concentrate 1: Inorganic Compounds for AES Condensate (Worst-case) Ersatz (C1)  .....132

 

Table 4.6.47

 

Concentrate 3: Effluent Soluble Organic Compounds 

for AES Condensate (Worst-case) Ersatz (C3) ..................................................................132

 

Table 4.6.48

 

Concentrate 4: Insoluble Organic Compounds for AES Condensate (Worst-case) Ersatz (C4) 

............................................................................................................................................133

 

Table 4.6.49

 

Concentrate 5: Volatile Organic Compounds for AES Condensate (Worst-case) Ersatz (C5) 

............................................................................................................................................133

 

Table 4.6.50

 

Average Solution Properties for Air Evaporation Condensate (Worst-case) Ersatz...........134

 

Table 5.2.1

 

Local Accelerations Due to Gravity ...................................................................................135

 

Table 5.2.2

 

Historical Extravehicular Activity Masses .........................................................................136

 

Table 5.2.3

 

Weights of Historical Spacesuits Under Gravitational Loadings .......................................136

 

Table 5.2.4

 

Summary of Extravehicular Activity Values for Mars Surface Operations........................138

 

Table 5.2.5

 

Extravehicular Activity Metabolic Loads...........................................................................138

 

Table 5.3.1

 

Clothing and Laundry Options ...........................................................................................139

 

Table 5.3.2

 

Early ISS Laundry Equipment Specifications ....................................................................140

 

Table 5.3.3

 

Advanced Washer/Dryer Specifications.............................................................................140

 

Table 5.4.1

 

Nitrogen Gas Losses Associated with International Space Station Technology.................141

 

Table 5.4.2

 

Nitrogen Gas Losses for the Mars Design Reference Mission (One Cycle) 

Using ISS Technologies .....................................................................................................141

 

Table 5.4.3

 

Estimation of Cost Leverages from In-Situ Resource Utilization .....................................142

 

Table 5.5.1

 

Sensor Mass Estimates .......................................................................................................142

 

Table 7.3.1

 

International Space Station Atmosphere Control and Supply.............................................157

 

Table 7.3.2

 

International Space Station Atmosphere Revitalization Subsystem ...................................159

 

background image

Tables 

vii 

Table 7.3.3

 

International Space Station Temperature and Humidity Control........................................160

 

Table 7.3.4

 

International Space Station Fire Detection and Suppression ..............................................161

 

Table 7.3.5

 

International Space Station Vacuum Services ....................................................................161

 

Table 7.3.6

 

International Space Station Water Recovery and Management..........................................162

 

Table 7.3.7

 

Spacelab Atmosphere Revitalization Subsystem................................................................163

 

Table 7.3.8

 

Spacelab Active Thermal Control Subsystem ....................................................................163

 

Table 7.3.9

 

Spacelab Temperature and Humidity Control ....................................................................164

 

Table 7.3.10

 

Spacelab Water Recovery and Management ......................................................................164

 

Table 7.3.11

 

Space Shuttle Atmosphere Revitalization Subsystem ........................................................165

 

Table 7.3.12

 

Space Shuttle Airlock Support Subsystem .........................................................................167

 

Table 7.3.13

 

Space Shuttle Active Thermal Control Subsystem.............................................................168

 

Table 7.3.14

 

Space Shuttle Water Recovery and Management...............................................................169

background image
background image

 

 

 

1

Introduction 

The Advanced Life Support (ALS) Baseline Values and Assumptions Document (BVAD) provides 

analysts and modelers as well as other ALS researchers with a common set of initial values and assumptions called a 
baseline. This baseline, in turn, provides a common point of origin from which all Systems Integration, Modeling, 
and Analysis (SIMA) Element studies will depart. 

1.1

 

Purpose and Process 

The BVAD identifies specific physical quantities that define life support systems from an analysis and 

modeling perspective. For each physical quantity so identified, the BVAD provides a nominal or baseline value plus 
a range of possible or observed values. Finally, the BVAD documents each entry with a description of the quantity’s 
use, value selection rationale, and appropriate references. 

The baseline values listed in the BVAD are designed to provide defaults for those quantities within each 

study that are not of particular interest for that study and may be adequately described by default values. 

For example, the direct solar irradiation for vehicles orbiting around Luna varies between 

1,323 W/m² and 1,414 W/m² with a mean value of 1,367 W/m² (K&K, 1998). Accordingly, the solar 

constant at Luna naturally varies by 91 W/m² (6.7 %). Williams (1997) lists a mean value of 

1,380 W/m² for the solar constant at Luna. While any value from 1,323 W/m² to 1,414 W/m² may be 

selected for the solar constant in a study sited in Luna orbit, a mean value of 1,370 W/m² may be 

defined as the baseline solar flux at Luna. Consequently, all studies would use a consistent value of 

1,370 W/m² unless they were specifically exploring the effect of varying the solar constant. 

This example is well bounded. Some life support assumptions are similarly well bounded. Others, such as 

the growth rate for plants, are not well bounded. For these, reasonable upper and lower values are given, although 
other values showing a greater range could be used. 

Without an agreement, each researcher will generally select his/her baseline values using whatever sources 

are available and/or deemed most accurate. While values from one researcher to the next may be similar, variations 
in input values lead to further variations in results when one compares studies from multiple sources. As such, it is 
more difficult to assess the significance of variations in results between studies from different sources without 
conducting additional analyses to bring the multiple studies to a similar baseline. 

Values for this document were taken from a variety of sources. Several SIMA researchers, in addition to 

the authors, helped to prepare the manuscript. As part of the process of assigning values to each of the life support 
quantities, the writers evaluated and debated each entry to produce a set of mutually agreeable values with 
corresponding limits. Ultimately, comments from all readers are welcomed and encouraged. To allow the BVAD to 
maintain its utility as a store of modeling and analysis information, the BVAD is a living document that will be 
updated as necessary to reflect new technology and/or scientific discoveries. 

The ALS Project controls the BVAD, while SIMA maintains and updates the BVAD. Subsequent releases 

will be made as required. Please send comments to: 

Mr. M. K. Ewert 
Lead, Systems Integration, Modeling, and Analysis Element 
National Aeronautics and Space Administration 
Lyndon B. Johnson Space Center 
2101 NASA Road One, Mail Code EC2 
Houston, Texas 77058 
E-mail: Michael.k.ewert1@jsc.nasa.gov 

background image

 

 

 

2

1.2

 

Advantages 

Aside from the advantages implied above, the BVAD provides several additional benefits: 

•

 

The BVAD allows the life support analysis community to carefully review and evaluate input study 
assumptions. Such review will lead to greater confidence in and understanding of the studies. 

•

 

Each study can now benefit from the “best†available input values and assumptions by drawing upon 
information collected by a group of researchers instead of a single researcher. Further, such values reflect 
the combined expertise of the group as a whole rather than one individual. 

•

 

The BVAD process identifies those quantities that are not well-defined by current information. Such 
quantities are primary candidates for parametric studies to determine their importance on modeling and 
analysis results. Further, this approach identifies values that may require additional experimental input to 
adequately quantify. 

•

 

The BVAD allows researchers from multiple sites to efficiently and quickly compare results from multiple 
studies. Because each study uses the same baseline, the variations between studies arise from differences in 
models or the parameters varied rather than a complex combined effect that includes variations in the 
assumed baseline. 

•

 

The BVAD will allow any researcher to conduct a follow-on study to any previous work because 
assumptions from each study will be clearly available and carefully recorded. Further, researchers can 
reference the BVAD for their baseline parameter values except those that are unique to their specific study. 

1.3

 

Systems Integration, Modeling, and Analysis Element 

SIMA is the element within the ALS Project responsible for maintaining this document. One objective of 

the SIMA Element is to encourage and improve communication between the various modelers within the ALS 
Project. 

1.4

 

Acknowledgments

 

1

 

Many researchers contributed information or insights to make this current draft possible. The BVAD editor 

would like to specifically acknowledge the following individuals for their contributions: James E. Alleman, Ph.D. 
(Purdue University), Molly S. Anderson (NASA/JSC), Scott Bell (TRACLabs), David Bergeron, Charles Bourland, 
Ph.D., Cheryl B. Brown (Lockheed Martin), Juan M. Castillo (Lockheed Martin), James Cavazzoni, Ph.D. (Rutgers, 
The State University of New Jersey), Nicholas Coppa, Ph.D. (Nanomaterials Company), Katherine R. Daues 
(NASA/JSC), Alan E. Drysdale, Ph.D. (The Boeing Company), Bruce E. Duffield (Lockheed Martin), Michael K. 
Ewert (NASA/JSC), John W. Fisher (NASA/ARC), David R. Fletcher (NASA/JSC), James R. Geffre (NASA/JSC), 
John A. Hogan, Ph.D. (Rutgers, The State University of New Jersey), Jean B. Hunter, Ph.D. (Cornell University), 
Frank F. Jeng (Lockheed Martin), Kevin E. Lange, Ph.D. (Lockheed Martin), Wen-Ching Lee (Hernandez 
Engineering), Julie A. Levri (NASA/ARC), Sabrina Maxwell, Seza Orcun, Ph.D. (Purdue University), Michele 
Perchonok, Ph.D. (National Space Biomedical Research Institute), Jay L. Perry (NASA/MSFC), Karen D. Pickering 
(NASA/JSC), Susan D. Ramsey, Luis F. Rodriguez, Ph.D. (National Research Council), Michael Rouen 
(NASA/JSC), Kathy Ruminsky, Laura A. Shaw (NASA/JSC), David A. Vaccari, Ph.D. (Stevens Institute of 
Technology), Yael Vodovotz, Ph.D., Kanapathipi Wignarajah, Ph.D. (Enterprise Advisory Services Inc.), Raymond 
Wheeler, Ph.D. (NASA/KSC), and Kristina R. Wines (NASA/JSC). 

                                                           

1

 

The National Aeronautics and Space Administration (NASA) Centers abbreviated here are Ames Research Center (ARC), 
Lyndon B. Johnson Space Center (JSC), John F. Kennedy Space Center (KSC), and George C. Marshall Space Flight 
Center (MSFC). 

background image

 

 

 

3

2

 

Approach 

The assumptions here are derived from various sources and are organized into sets of similar data. These 

assumptions relate to the scenarios, the mission infrastructure, and the various life support subsystems. References 
are documented—where possible—to provide traceability. 

2.1

 

Development 

The baseline values and assumptions are based on experience in developing static and dynamic models of 

life support systems. Where numerical values are given, and an attempt has been made to focus on quantitative data, 
an attempt has been made to include upper and lower limits as well as a recommended value. In some cases, the 
upper and lower limits are definite values set by the physics or biology of the situation. For other cases, they are 
representative values that will not often be exceeded in a real system. 

2.2

 

Context 

This document assumes no particular mission, but does focus on long-duration space missions. In some 

cases, the data may be applicable to only certain missions. The reader is directed to Stafford, et al

.

 (2001) for more 

details on potential mission scenarios. 

2.3

 

Background 

2.3.1

 

Equivalent System Mass Description 

Equivalent system mass (ESM) is a technique by which several physical quantities describing a system or 

subsystem may be reduced to a single physical parameter, mass. 

2

  The primary advantage is to allow comparison of 

two life support systems with different parameters using a single scale. This is accomplished by determining 
appropriate mass penalties or conversion factors to convert the non-mass physical inputs to an equivalent mass. For 
systems that require power, for example, the Power External Interface can yield an appropriate power-mass penalty 
by dividing the average power plant output by the total mass of the generating power plant. Thus, for a nuclear 
power plant on an independent lander that, on average, delivers 100 kW of electrical power and has an overall mass 
of 8,708 kg (Mason, et al

.

, 1992) 

3

 the power-mass penalty is 11.48 W/kg. This power-mass penalty effectively 

assigns a fraction of the Power External Interface mass to a power-using subsystem in place of the power 
requirement of the subsystem. In like manner, mass penalties to account for heat rejection and volume within a 
pressurized shell are defined. A crewtime mass penalty is also defined below. The definition of equivalent mass for 
a system is the sum of the equipment and consumable commodity mass plus the power, volume, thermal energy 
management, and crewtime requirements as masses. Please see Levri, et al

.

 (2003) for additional information on 

ESM. 

2.3.2

 

Definition of Infrastructure 

Infrastructure is everything necessary to operate the life support equipment that is not otherwise 

specifically defined elsewhere as a component of the life support system. For an overall life support system analysis, 
the system includes the life support equipment. Necessary infrastructure, then, may include all necessary supplies 
and equipment for electrical power generation or a pressurized cabin in which the equipment operates. Some 
infrastructure, though vital to overall system success, may have a small or negligible impact on a study’s primary 
focus. For example, data and communications infrastructure generally have little impact on the equivalent system 
mass of a life support system and can therefore be safely neglected in this case. Table 2.4.1 and Table 2.4.2 identify 
the most common and significant interactions between life support subsystems and other spacecraft systems outside 
of the life support system. Section 3.2 discusses and lists infrastructure cost factors for overall life support system 

                                                           

2

 

An ESM evaluation is very similar in form to computing the net present value of a project and is a method used for ranking 
a system or subsystem concept relative to other concepts. 

3

 

The actual mass quoted here has been adjusted slightly to account for some differences between the work listed in the 
reference and the desired system. 

background image

 

 

 

4

analyses while Section 4.6.3 provides additional information about commodity demands to and from the ALS 
External Interfaces. 

2.3.3

 

Definition of Modeling 

A model is an analogous system that mimics the behavior of a real system. Within ALS, mathematical 

models are used to predict or simulate, control, design, optimize, or facilitate an understanding of an ALS system, a 
component, or a subsystem. Models might be quite simple, calculating overall masses, for example, or quite 
complex, involving gas exchange at the molecular or plant growth levels. This document includes and supports both 
types of models. 

2.3.4

 

Units and Values 

All numerical assumptions are given using the Système Internationale d’Unités (SI) units. This approach is 

consistent with the current philosophy within the Crew and Thermal Systems Division (CTSD): all analysis tasks for 
advanced systems shall use SI units. A list of SI units for physical quantities of interest is provided in the 
Appendices. 

Generally, lower, nominal, and upper values are provided. Unless stated otherwise, the numbers are 

intended to represent average values under nominal conditions for different design cases. Short-term fluctuations are 
not considered, nor are emergency or contingency situations except as explicitly noted. Values not listed per capita 
are based on a crew of six, unless otherwise stated. 

2.4

 

Life Support Subsystems Within the Advanced Life Support Project 

Hanford (2000) provides a generic description of life support subsystems and subsystem and external 

interface relationships for the ALS Project. This classification originally arose from a Systems Modeling and 
Analysis Project 

4

 workshop in the fall of 1999 and now, after review and revision, is the current standard definition 

for the ALS Project. 

5

  Information within the BVAD and future analysis tasks will be organized according to this 

structure. 

As noted above, other formats to describe life support systems exist. This one specifically classifies those 

disciplines housed within and funded by the ALS Project as subsystems [Table 2.4.1] while those disciplines that 
interact with life support subsystems but are not the sole responsibility of the ALS Project are external life support 
interfaces [Table 2.4.2]. Because of this distinction, Air, Biomass, Food, Thermal, Waste, and Water are classified 
as subsystems. Crew 

6

, Cooling, Extravehicular Activity (EVA) Support, Human Accommodations, In-Situ 

Resource Utilization, Integrated Control, Power, and Radiation Protection are classified as external life support 
interfaces. The interfaces listed in the last column for each subsystem or external interface are generally inclusive in 
an attempt to account for all possible interactions, even if some of those interactions are highly unlikely. 

Please note: within this document, ALS subsystem names such as “Air Subsystem†and “Biomass 

Subsystem†are proper nouns. However, the generic terms â€œsystem†and “subsystem†are often used interchangeably 
in the text within this document to refer to similar suites of equipment. This laxness with respect to nomenclature 
reflects the constantly changing perspective of ALS researchers and analysts while considering many different 
technologies or groups of technologies. In reality, most life support equipment is constructed from several lower-
level components and also fits within a higher-level assembly. Consequently, the terms “system†and â€œsubsystem†
vary according to the current problem definition and often differ for other problems or studies. 

                                                           

4

 

The Systems Integration, Modeling, and Analysis element was previously named Systems Modeling and Analysis Project. 

5

 

Work on the Bioregenerative Planetary Life Support Systems Test Complex (BIO-Plex) predates this organizational 
structure. Deviations from Table 2.4.1 and Table 2.4.2 exist for historical documentation. 

6

 

Though the presence of the crew alone justifies the inclusion of the life support subsystems, the crewmembers are external 
to the life support equipment and are listed as an external interface. 

background image

 

 

 

5

Table 2.4.1 

Advanced Life Support Subsystem Descriptions and Interfaces

 

Subsystem Description 

Life 

Support System Interfaces 

Air 

The Air Subsystem stores and maintains the vehicle 
cabin atmospheric gases, including pressure control, 
overall composition, and trace constituents. The Air 
Subsystem is also responsible for fire detection and 
suppression and vacuum services. 

Biomass, Food, Thermal, Waste, 
Water, Crew, EVA Support, 
Human Accommodations, 
In-Situ Resource Utilization, 
Integrated Control, Power 

Biomass 

The Biomass Subsystem produces, stores, and provides 
raw agricultural products to the Food Subsystem while 
regenerating air and water. This subsystem is not 
present in a solely physicochemical life support system. 

Air, Food, Thermal, Waste, 
Water, Crew, 
In-Situ Resource Utilization, 
Integrated Control, Power 

Food 

The Food Subsystem receives harvested agricultural 
products from the Biomass Subsystem, stabilizes them 
as necessary, storing raw and stabilized agricultural 
products, food ingredients, and prepackaged food and 
beverage items. The Food Subsystem transforms the 
raw agricultural products into a ready-to-eat form via 
food processing and meal preparation operations. In the 
absence of the Biomass Subsystem, this subsystem 
operates only on prepackaged, stored products. 

Air, Biomass, Thermal, Waste, 
Water, Crew, EVA Support, 
Human Accommodations, 
Integrated Control, Power, 
Radiation Protection 

Thermal 

The Thermal Subsystem is responsible for maintaining 
cabin temperature and humidity within appropriate 
bounds and for rejecting the collected waste heat to the 
Cooling Interface. Note: Equipment to remove thermal 
loads from the cabin atmosphere normally provides 
sufficient air circulation. 

Air, Biomass, Food, 
Waste, Water, Crew, Cooling, 
EVA Support, 
Human Accommodations, 
Integrated Control, Power 

Waste 

The Waste Subsystem collects and conditions waste 
material from anywhere in the habitat, including: 
packaging, human wastes, inedible biomass, and brines 
from other subsystems such as the Water Subsystem. 
The Waste Subsystem may sterilize and store the waste 
or reclaim life support commodities, depending on the 
life support system closure and/or mission duration. 

Air, Biomass, Food, Thermal, 
Water, Crew, EVA Support, 
Integrated Control, 
Human Accommodations, Power, 
Radiation Protection 

Water 

The Water Subsystem collects wastewater from all 
possible sources, recovers and transports potable water, 
and stores and provides the water at the appropriate 
purity for crew consumption and hygiene as well as 
external users. 

Air, Biomass, Food, Thermal, 
Waste, Crew, Cooling, 
EVA Support, 
Human Accommodations, 
In-Situ Resource Utilization, 
Integrated Control, Power, 
Radiation Protection 

 

background image

 

 

 

6

Table 2.4.2 

Advanced Life Support External Interfaces Descriptions and Interfaces

 

External Life 
Support Interfaces 

Description Life 

Support System Interfaces 

Crew 

The Crew Interface interacts with most life 
support subsystems and external interfaces. 
Crewmembers have been, and should continue 
to be, the foremost consumers of life support 
commodities as well as the primary producers of 
waste products. Finally, life support 
technologies are specifically designed to provide 
for the health, safety, and maximum efficiency 
of crewmembers. 

Air, Biomass, Food, Thermal, 
Waste, Water, EVA Support, 
Human Accommodations, 
In-Situ Resource Utilization, 
Integrated Control, Power, 
Radiation Protection. 

Cooling 

The Cooling Interface rejects vehicle thermal 
loads, delivered by the Thermal Subsystem, to 
the external environment. 

Thermal, Water, 
Integrated Control, Power 

Extravehicular 
Activity Support 

The Extravehicular Activity Support Interface 
provides life support consumables for 
extravehicular activities, including oxygen, 
water, and food. It also provides for the removal 
of carbon dioxide and waste. 

Air, Food, Thermal, Waste, 
Water, Crew, 
Human Accommodations, 
Integrated Control, Power 

Human 
Accommodations 

The Human Accommodations Interface is 
responsible for the crew cabin layout, crew 
clothing (including laundering), and the crew’s 
interaction with the life support system. 

Air, Biomass, Food, Thermal, 
Waste, Water, Crew, 
EVA Support, Integrated Control, 
Power 

In-Situ Resource 
Utilization 

The In-Situ Resource Utilization Interface 
provides life support commodities, such as 
gases, water, and regolith from local planetary 
materials for use throughout the life support 
system. 

Air, Biomass, Water, Crew, 
Integrated Control, Power, 
Radiation Protection 

Integrated Control 

The Integrated Control Interface provides 
appropriate control for the life support system. 

ALL 

Power The 

Power 

Interface 

provides the necessary 

energy to support all equipment and functions 
within the life support system. 

ALL 

Radiation 
Protection 

The Radiation Protection Interface provides 
protection from environmental radiation. 

Food, Waste, Water, Crew, 
In-Situ Resource Utilization, 
Power 

2.5

 

Applicable Documents 

The BVAD is intended to provide values for analysis and modeling tasks. Analysis and modeling is 

charged with examining both off-nominal and diverse technology options. As a result, many studies may consider 
situations that differ from the accepted bounds listed in the various documents containing requirements. However, 
when applicable, the BVAD is intended to capture the individual extremes for inputs that are appropriate for human 
spaceflight. Further, while the nominal values throughout this document should be consistent with one another, off-
nominal values may not be consistent with other values within this document. The user should independently verify 
the validity of using off-nominal values. 

As noted, the BVAD attempts to provide inputs for all quantities of importance for studies associated with 

life support systems. However, as research within the ALS Project constantly changes, many studies will require 
inputs for quantities not listed here. In such situations, analysts should use whatever values are appropriate and 

background image

 

 

 

7

available and so note and reference those values in their reports or documentation. Further, analysts are asked to 
report such omissions to SIMA and provide any and all information that could be used to determine values for such 
omitted quantities. 

The following documents are other important references for life support. The latest revision is noted below 

and will be available electronically at 

http://advlifesupport.jsc.nasa.gov

. Subsequent releases will be considered in 

updating this document. 

Duffield, B. E. (2003) â€œAdvanced Life Support Requirements Document,†JSC-38571 (CTSD-ADV-245), 
Revision C, National Aeronautics and Space Administration, Johnson Space Center, Houston, Texas, 
February, 2003. 

Stafford, K. W., Jerng, L. T., Drysdale, A. E., Maxwell, S., Levri, J. A. (2001) â€œAdvanced Life Support 
Systems Integration, Modeling, and Analysis Reference Missions Document,†edited by Ewert, M. K., and 
Hanford, A. J., JSC-39502, Revision A, National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. 
Johnson Space Center, Houston, Texas, November, 2001. 

Parameters that are non-negotiable for any reason are considered ALS requirements and are documented 

within Duffield (2003). Some of the assumptions documented here may in time become requirements while others 
will be uncertain until NASA embarks on a specific mission. Some possible future missions are documented in 
Stafford, et al

.

 (2001), a companion document to the BVAD. 

background image

 

 

 

8

3

 

Overall Assumptions 

3.1

 

Missions 

The mission affects analyses and models by changing the weighting of the various pieces of the system in 

terms of time dependent items, equipment design, and infrastructure cost. It can also require different contingency 
planning for a mission with a short-term abort option (e.g., low-Earth orbit or lunar missions) versus one without 
such an option (e.g., Mars missions). 

3.1.1

 

Typical Values for Exploration Missions 

Primarily, the missions supported here are outlined in the Advanced Life Support Systems Integration, 

Modeling, and Analysis Reference Missions Document (Stafford, et al., 2001) and focus on near-Earth sites 
including low-Earth orbit, Luna, near-Earth asteroids, and Mars. Assumptions are given in Table 3.1.1 for mission 
parameters associated with missions described within Stafford, et al. (2001) and some other possible near-term 
missions. 

Generically, recent NASA exploration mission architectures stipulate separate vehicles for each of three 

distinct mission phases. The crew travels to and from the vicinity of an extraterrestrial destination in a dedicated 
transit vehicle. The crew transfers to a waiting descent/ascent lander to travel from orbit to a surface site, landing 
near a larger prepositioned surface habitat. The crew spends the majority of its surface phase operating from the 
surface habitat. At the end of the surface phase, the crew transfers back to the waiting transit vehicle using the 
descent/ascent lander. Table 3.1.1 assumes this generic architecture. 

7

 

The given volume assumptions in Table 3.1.1 describing unobstructed or free volume per crewmember 

8

 

are specified in terms of tolerable, performance, and optimal for the listed mission segment. For purposes here, 
performance should be viewed as nominal. Two possible surface missions are mentioned with respect to lunar 
missions. Required by NASA (2001a), nominal possible mission configurations would provide either a 3-day or a 
30-day surface phase. Drake (1999) proposes a nominal mission for its descent/ascent vehicle of roughly 7 days, but 
contingency might stretch this occupancy to 30 days. As a final note, a mission architecture in which multiple crews 
visit the same surface site and a new crew module is sent with each crew, the actual crew volume will probably 
increase for later missions because earlier crew modules could be linked together to form a much larger habitable 
volume. 

                                                           

7

 

Though not presented in Stafford, et al. (2001) or mentioned here explicitly, missions to asteroids or comets are possible, 
and such ventures would not likely need a surface habitat, for example. Rather, the exploration missions here assume a site 
on a relatively large celestial body with appreciable inherent gravity. 

8

 

These values are also called net habitable volume, which is the remaining pressurized cabin volume after accounting for 
losses due to equipment, stowage, trash, and other items that decrease volume (Ramsey, 2002). 

background image

 

 

 

9

Table 3.1.1 

Mission Assumptions 

 

 

Assumptions 

 

Parameter Units 

Lower Nominal  Upper 

References 

Crew Size 

people 

(1)

 6 

(2)

 9 

(1)

 

Visits to One Site 

– 

(2)

 3 

(2)

 7 

(4)

 

Destination: Luna 

 

 

 

 

Volume: 

9

 

 

Tolerable Performance 

Optimal 

Transit Phase 

m³/person 

1.13 

(5)

3.54 

(5)

 4.25 

(5)

 

Descent / Ascent  m³/person 

1.27 

(5)

3.54 

(5)

 4.39 

(5)

 

Surface, 3 days 

m³/person 

1.27 

(5)

3.54 

(5)

 4.39 

(5)

 

Surface, 30 days  m³/person 

2.26 

(5)

4.25 

(5)

 10.62 

(5)

 

Duration: 

10

 

 Minimum 

Nominal 

Maximum 

Transit Phase 

(6)

 5 

(6)

 7 

(6)

 

Descent / Ascent  d 

(6)

 8 

(5)

 8 

(5)

 

Surface Phase 

(7)

 

3 or 30 

(7)

 

11

30 

(7)

 

Destination: Mars 

 

 

 

 

Volume: 

9

 

 

Tolerable Performance 

Optimal 

Transit Phase 

m³/person 

5.10 

(5)

9.91 

(5)

 18.41 

(5)

 

Descent / Ascent, 

7 days 

m³/person 1.13 

(5)

3.54 

(5)

 4.25 

(5)

 

Descent / Ascent, 

30 days 

m³/person 2.27 

(5)

4.25 

(5)

 10.62 

(5)

 

Surface Phase 

m³/person 

5.10 

(5)

9.91 

(5)

 18.41 

(5)

 

Duration: 

10

  

Minimum 

Nominal 

Maximum 

Transit Phase 

110 

(2)

 180 

(2)

 180 

(2)

 

Descent / Ascent  d 

(5)

 7 

(5)

 30 

(5)

 

Surface Phase 

540 

(2)

 600 

(2)

 619 

(2)

 

(1)

 

SMAP (1999) 

(2)

 

Hoffman & Kaplan (1997) 

(3)

 

NASA (1995) 

(4)

 

Stafford, et al. (2001) 

(5)

 

Ramsey (2002) 

(6)

 

Geffre (2002) 

(7)

 

Fletcher (2001)

 

3.1.2

 

Long-Term Extraterrestrial Bases 

While a goal of ALS is a long-duration facility in an extraterrestrial site, NASA currently has few 

specifications for such a mission. For now, a long-duration integrated test bed may provide a terrestrial analog for an 
eventual base. Such an integrated life support test stand is typically a closed-chamber facility comprised of five 
chambers and an airlock connected by a tunnel. 

12

  This facility will provide integrated test facilities for technologies 

that will likely be used for an early human base on Luna or Mars. Each facility module is 185.15 m

3

 in volume. The 

                                                           

9

 

The volume here specifically is unobstructed or free volume within the crew cabin. 

10

 

This mission would have an immediate abort-to-orbit option, although not necessarily an immediate return option. 

11

 

The intended nominal surface stay depends on the vehicles provided. 

12

 

Editor’s Note:

 At this time, the scope and purpose of the integrated test stand to support hardware development within the 

ALS Project is under review. Because of prior programs such as BIO-Plex, very precise values are available for some 
earlier facilities. Consequently, the configuration and specifications for the actual ALS integrated testing facility may differ 
from those listed here. The values listed are likely representative of an integrated bioregenerative research facility and, by 
analog, to a long-duration extraterrestrial surface facility. 

background image

 

 

 

10

tunnel is 263.43

 

m

3

. The airlock volume is 48 m

3

.  The total volume is estimated to be 1,237 m

3

, or 309 m

3

 per 

crewmember, assuming the nominal crew of four people. Internal air pressure will be approximately ambient. 

This test facility optimally supports four people, but during overlaps for crew rotation, up to eight people 

may be supported for up to 72 hours (Tri, 2000). While the planned duration for tests is under review, past testing 
concepts have mentioned 120- through 400+- day missions most often. An initial test involving human beings may 
be 120 days in duration (Tri, 2000). Plant scientists favor tests of 240 days  because this would allow two complete 
cropping cycles based on harvest dates for crops with the longest life cycle. 

A facility similar to this test facility could be built on Luna or Mars with similar configuration and 

constraints. Some likely differences for an actual extraterrestrial base would be mission duration, with a probable 
minimum duration of 540 days for any mission to Mars (see Table 3.1.1), and an operational lifetime of up to fifteen 
years. 

3.2

 

Infrastructure Costs and Equivalencies 

Infrastructure costs (ex: mass, volume, power, thermal energy management, crewtime) are key factors in 

overall system analysis. They effectively apportion a fraction of the infrastructure mass to each component of the 
life support system. It is far easier to decide on reasonable figures for these parameters early in a study than to try to 
objectively determine them at the end of the study. Appropriate infrastructure costs and equivalencies for two 
possible near-term exploration objectives, Luna and Mars, are provided in Table 3.2.1 and Table 3.2.2. The listed 
penalties for volume account for primary structure only, including micrometeoroid and orbital debris protection and 
radiation protection for the crew, if necessary. Table 3.2.7 provides information on secondary structure, including 
the racks and conditioned volumes such as refrigerated spaces. 

The nominal values listed in Table 3.2.1 and Table 3.2.2 correspond to current technology with few 

improvements or synergistic advantages. Less conservative values, with comments on applicability, are presented in 
Table 3.2.3, Table 3.2.8 and Table 3.2.9. 

Infrastructure costs vary according to certain variables, including but not limited to: external mission 

environment, technologies used, and mission duration. For example, a power system using solar photovoltaic 
generation to provide electrical power for a transit vehicle has different energy storage requirements than a 
comparable system with similar architecture for an equatorial lunar base. Likewise, the thermal environment of 
interplanetary space differs from the thermal environment of the lunar or Martian surface. The tables here include 
values for surface locales indicative of equatorial sites. Studies at polar sites should use very different values, 
especially for thermal energy management. 

Table 3.2.1 and Table 3.2.2 provide two volume cost factors. The first entry, for shielded volume, reflects 

pressurized primary structure with sufficient radiation protection to provide a safe environment for the crew. The 
second entry, for unshielded volume, models pressurized primary structure without any radiation protection other 
than what the pressure shell may provide. The crew will spend limited time within pressurized volume without 
radiation protection. Thus, the former value applies to technologies and equipment that are susceptible to 
environmental radiation or require significant crew interaction while the latter may be used for technologies and 
equipment that are insensitive to interplanetary radiation and require little crew interaction. The fourth entry, for 
thermal energy management, is a combined assessment considering hardware from the Thermal Subsystem and the 
Cooling External Interface. These values are combined here for convenience. 

background image

 

 

 

11

Table 3.2.1 

Luna Mission Infrastructure Costs 

 

 

Assumptions 

 

Parameter Units 

Lower 

Nominal Upper 

References 

Transit 

 

 

 

 

Shielded Volume 

kg/m³ 

 

80.8 

(1)

 

 

Unshielded Volume 

kg/m³ 

 

45.2 

(1)

 

 

Power kg/kW 

 

237 

(2)

 

 

Thermal Energy Management: 

Thermal and Cooling 

kg/kW 55 

(3)

 65 

(3)

 65 

(3)

 

Crewtime 

kg/CM-h

 TBD  

Surface 

 

 

 

 

Shielded Volume 

kg/m³ 

102.0 

(1)

 133.1 

(1)

 137.3 

(1)

 

Unshielded Volume 

kg/m³ 

 

9.16 

(1)

 13.40 

(1)

 

Power kg/kW 

54 

(2)

 749 

(2)

 749 

(2)

 

Thermal Energy Management: 

Thermal and Cooling 

kg/kW 97 

(3)

 102 

(3)

 246 

(3)

 

Crewtime 

kg/CM-h

 TBD  

(1)

 

See Table 3.2.3 

(2)

 

See Table 3.2.8 

(3)

 

See Table 3.2.9 

 

 

Table 3.2.2 

Mars Mission Infrastructure Costs 

 

 

Assumptions 

 

Parameter Units 

Lower 

Nominal Upper 

References 

Transit 

 

 

 

 

Shielded Volume 

kg/m³ 

 

215.5 

(1)

 219.7 

(1)

 

Unshielded Volume 

kg/m³ 

 

9.16 

(1)

 13.40 

(1)

 

Power kg/kW 

 

237 

(2)

 

 

Thermal Energy Management: 
Thermal and Cooling 

kg/kW   60 

(3)

 70 

(3)

 

Crewtime kg/CM-h

1.14 

(4)

 1.14 

(4)

 1.54 

(4)

 

Surface 

 

 

 

 

Shielded Volume 

kg/m³ 

 

215.5 

(1)

 219.7 

(1)

 

Unshielded Volume 

kg/m³ 

 

9.16 

(1)

 13.40 

(1)

 

Power kg/kW 

54 

(2)

 228 

(2)

 338 

(2)

 

Thermal Energy Management: 
Thermal and Cooling 

kg/kW   146 

(3)

 170 

(3)

 

Crewtime kg/CM-h

1.25 

(4)

 1.25 

(4)

 1.50 

(4)

 

(1)

 

See Table 3.2.3 

(1)

 

See Table 3.2.8 

(3)

  See Table 3.2.9 

(4)

 

See Table 3.3.5

 

3.2.1

 

Pressurized Volume or Primary Structure Costs 

Pressurized volume houses the crew and crew-accessible systems. Characteristic volume costs are 

presented in Table 3.2.3. The International Space Station (ISS) common module currently provides pressurized 
volume in low-Earth orbit. Alternately, an inflatable module can be used. In both cases, the lower value reflects 
primary structure with protection for micrometeoroids and orbital debris while the upper value, if known, also 
includes some dedicated radiation protection. 

background image

 

 

 

12

The aerodynamic crew capsule in Table 3.2.3 is based on an ellipse sled and is designed to aero-capture in 

the upper atmosphere upon returning to Earth (NASA, 2001a). The second entry reflects the crew cabin structure 
without radiation shielding while the first entry reflects the crew cabin with sufficient radiation shielding for a lunar 
transit mission. Nominally, according to concepts within NASA (2001a), crew vehicles for near-term lunar missions 
will aero-capture upon returning to Earth, therefore, referenced nominal values include thermal protection for 
aerodynamic heating. 

Table 3.2.3 

Cost of Pressurized Volume 

 

Assumptions [kg/m³] 

 

Technology/Approach Lower 

Nominal 

Upper 

References 

Low-Earth Orbit 

 

 

 

ISS Module (shell only) 

 

66.7 

(1)

 

 

Inflatable Module 

19.61 

(2)

 28.1 

(2)

 32.4 

(2)

 

Lunar Mission â€“ Transit 

 

 

 

Shielded Aerodynamic Crew 

Capsule (Ellipse Sled) 

 80.8 

(3)

 

 

Unshielded Aerodynamic Crew 

Capsule (Ellipse Sled) 

 45.2 

(3)

 

 

Lunar Mission â€“ Surface 

 

 

 

Shielded Inflatable Module 

102.0 

(4)

 

13

 

133.1 

(4)

 

13

 

137.3 

(4)

 

14

 

Unshielded Inflatable Module 

 

9.16 

(2)

 

15

 

13.40 

(2)

 

15

 

Martian Mission â€“ Surface 

16

 

 

 

 

Shielded Inflatable Module 

17

 

 215.5 

(4)

 

13

 219.7 

(4)

 

14

 

Unshielded Inflatable Module 

 

9.16 

(2)

 

15

 13.40 

(2)

 

15

 

(1)

 

Hanford (1997) 

(2)

  See Table 3.2.5

 

(3)

 

NASA (2001a) 

(4)

 

See Table 3.2.6.

 

The cost factors listed for inflatable modules, both for lunar and Martian missions, assume surface sites. 

The unshielded value reflects the primary structure without any radiation protection, presuming that some â€œto be 
determined†in-situ resources, such as regolith, a natural cavern, or local atmosphere, will provide the necessary 
radiation protection. The nominal shielded value assumes sufficient radiation protection for the location, assuming 
the surface locale provides no beneficial protection against radiation. The upper value for shielded volume also 
includes avionics and power management and distribution masses. Often, however, this last cost is associated with 
the Power External Interface and, therefore, should not also be assessed against the structure mass. 

In recent studies, transit vehicles for Martian missions are generally larger than corresponding vehicles for 

lunar missions, so the volume-mass penalties for surface applications are suitable for transit applications. In fact, the 
radiation protection values for the Martian missions are sized with the assumption that a crew is present during 
transfer to Mars. Because Mars itself will provide some shielding, the transfer segment is the most severe 
environment and provides the criteria for sizing radiation protection. 

The appropriate volume cost factor generally depends on the sensitivity of specific equipment to the 

external environment or whether the crew must regularly interact with the equipment. As noted above, in radiation 
intensive environments anywhere beyond the Van Allen Belts, cost factors for shielded volume should be used 
                                                           

13

 

Estimate based on primary structure plus shielding mass. 

14

 

Estimate based on all listed module masses, including avionics and power management and distribution. 

15

 

Estimate based on primary structure mass only. Habitats sited on a planetary surface might use in-situ resources for 
radiation shielding and micrometeoroid protection. Additional equipment may be required to construct such shielding, but 
the associated mass should be considerably less than the corresponding masses from Earth. 

16

 

Transit vehicles for Martian missions are generally larger, based on current concepts, so volume-mass penalties for surface 
applications would also be suitable for transit applications. 

17

 

These values are derived from hazards associated with interplanetary space transit. Vehicles on the surface of Mars would 
receive some beneficial shielding from the local Martian environment, but the extent of that shielding is unclear. 

background image

 

 

 

13

whenever equipment is sensitive to radiation or must be frequently accessed by the crew. This value reflects the cost 
of placing equipment within the primary crew cabin. The cost for unshielded volume applies whenever the 
technology is not sensitive to radiation but must remain within a pressurized environment. The crew might service 
such equipment infrequently. Finally, some technologies might be located outside the pressurized cabin. While this 
is unlikely for most life support equipment, the associated volume cost factor would be much less than the lower 
value, approaching zero. 

Leakage is technology dependent. The specification for ISS modules is 83 kg leakage per module per year 

(0.18% per day), but tests have shown the actual leakage rate is significantly lower than this specification. 

Currently the United States uses the ISS common module to provide pressurized volume. However, this 

design is massive and more costly than some alternatives. Inflatable modules have been suggested since the Apollo 
Program. TransHab (Kilbourn, 1998, and NASA, 1999), presented in Table 3.2.4, is a robust inflatable module 
designed for low-Earth orbit trials while attached to ISS. TransHab encloses 329.4 m³ within a primary shell with an 
inner surface area of 250.9 m². A connecting tunnel provides access to ISS with an additional 12.6 m³. The values in 
Table 3.2.4 include micrometeoroid protection and a storm shelter for radiation protection in low-Earth orbit against 
solar particle events. Less substantial inflatable modules could be used on a planetary surface if in-situ resources, 
such as regolith or caverns, provide meteoroid and radiation protection. Finally, since the ISS common module and 
TransHab are designed using different design philosophies, a rigorous comparison between the two approaches is 
not intended. Rather, the values here document both approaches. 

Table 3.2.4 

Masses of Inflatable Shell Components 

Item 

Mass 

[kg] 

References 

Inflatable Shell Assembly, including Liner, Bladder, and Restraint 

1,265 

Multi-Layer Insulation 

235 

Micrometeoroid and Orbital Debris Protection 

3,208 

Other (Windows, Deployment and Attachment Systems) 

204 

Central Core Structure, including End Cones 

1,405 

Water Containment 

18

 (Enclosing 18.8 m³ and covering 40.1 m²) 

142 

Radiation Protection Media (A 0.0574 m thick water shield) 

2,304 

Initial Inflation System 

502 

Avionics and Power Management and Distribution 

1,398 

Total Mass 

10,663 

Based on TransHab 
technology. See 
Kilbourn (1998), 
NASA (1999), and Atwell 
and Badhwar (2000) 

Based on Table 3.2.4, several cost factors for various configurations of the components presented are 

possible. See Table 3.2.6 presents estimates for masses and volume-mass penalties for several configurations of 
inflatable modules. The first estimate, based on findings reviewed by Duffield (2001), uses 0.0622 m of hydrogen-
impregnated carbon nanofibers to protect the crew quarters from solar particle events. Such a configuration is 
designed for a lunar mission. The assumed containment mass is 5% of the total shielding material mass. The second 
estimate assumes 0.0622 m of hydrogen-impregnated carbon nanofibers surround the entire crew cabin. The third 
estimate assumes 0.100 m of water surround the entire crew cabin for a lunar mission, which is a common â€œrule of 
thumb†in some recent design scenarios. Again, this shielding only protects against solar particle events. The 
containment mass, based on Kilbourn (1998), is 6.2% of the shielding material mass. Finally, the last estimate 
employs 2.43 m of liquid hydrogen to shield against both solar particle events and galactic cosmic radiation (see 
Duffield [2001]). The assumed containment mass is 50% of the shielding material mass, and this is likely a lower 
limit. 

 While each configuration is not independently viable, they provide background for other estimates. The applicable 
volume is 329.4 m³. 

                                                           

18

 

The water tank surrounding the crew quarters is actually integrated with the central core structure. 

background image

 

 

 

14

Table 3.2.6 presents estimates for masses and volume-mass penalties for several configurations of 

inflatable modules. The first estimate, based on findings reviewed by Duffield (2001), uses 0.0622 m of hydrogen-
impregnated carbon nanofibers to protect the crew quarters from solar particle events. Such a configuration is 
designed for a lunar mission. The assumed containment mass is 5% of the total shielding material mass. The second 
estimate assumes 0.0622 m of hydrogen-impregnated carbon nanofibers surround the entire crew cabin. The third 
estimate assumes 0.100 m of water surround the entire crew cabin for a lunar mission, which is a common â€œrule of 
thumb†in some recent design scenarios. Again, this shielding only protects against solar particle events. The 
containment mass, based on Kilbourn (1998), is 6.2% of the shielding material mass. Finally, the last estimate 
employs 2.43 m of liquid hydrogen to shield against both solar particle events and galactic cosmic radiation (see 
Duffield [2001]). The assumed containment mass is 50% of the shielding material mass, and this is likely a lower 
limit. 

Table 3.2.5 

Estimated Masses and Volume-Mass Penalties for Inflatable Module Configurations 

Configuration 

Mass 

[kg] 

Volume-Mass 

Penalty 

[kg/m³] 

Volume-Mass 

Penalty 

[m³/kg] 

All Inflatable Module components listed in Table 3.2.4 

10,663 

32.37 

0.0309 

Previous Option without Avionics 
and Power Management and Distribution 

9,265 28.13  0.0355 

Primary Shell and Central Core Only 

3,016 

9.16 

0.1092 

Previous Option plus Multi-Layer Insulation 
and Micrometeoroid and Orbital Debris Protection 

6,459 19.61  0.0510 

Previous Option plus Initial Inflation System 

6,961 

21.13 

0.0473 

Previous Option plus Avionics and 
Power Management and Distribution 

8,359 25.38  0.0394 

Avionics and Power Management and Distribution alone 

1,398 

4.24 

 

 

background image

 

 

 

15

Table 3.2.6 

Estimated Masses for Inflatable Modules 

Item (Based on TransHab 
Architecture) 

Mass for 
Lunar 
Mission 
[kg] 

Mass for 
Lunar 
Mission 
[kg] 

Mass for 
Lunar 
Mission 
[kg] 

Mass for 
Martian 
Mission 
[kg] References 

Primary Structure Mass 

(Core, Shell) 

(1)

 

19

 

6,961 6,961 6,961 6,961 

Shielding Mass is 0.0622 m of 

Hydrogen-Impregnated 
Carbon Nanofibers 
Around Crew Quarters 

(2)

 

5,618    

Tankage (5 %) 

(3)

 281    

Shielding Mass is 0.0622 m of 

Hydrogen-Impregnated 
Carbon Nanofibers 
Around Full Shell 

(2)

  

35,119 

 

 

Tankage (5 %) 

(3)

  

1,756 

 

 

Shielding Mass is 0.100 m of 

Water Around Full Shell 

 

 

25,094 

 

Tankage (6.2 %) 

(4)

    

1,556  

Shielding Mass is 2.43 m of 

Liquid Hydrogen 
Around Full Shell 

(2)

 

   

42,685 

Tankage (50 %) 

(5)

    

21,342 

Total 

Mass 

12,860 43,836 33,611 70,988 

Volume-Mass Penalty [kg/m³]  

 

133.1 

102.0 

215.5 

[m³/kg]  

 

0.007514  0.009799  0.004640 

(1)

 

Kilbourn (1998) and 
NASA (1999) 

(2)

 

Duffield (2001) 

(3)

 

Estimated 

(4)

 

Computed from 
Kilbourn (1998) 

(5)

 

Assumed (This value 
is probably a lower 
limit on the actual 
tank mass.)

 

The options in Table 3.2.6 differ from each other and reflect different commonly proposed design 

alternatives. The third option, using 0.100 m of water for a lunar mission, is a reference value because the protection 
is inferior compared to the other lunar options and it is insufficient to shield the crew cabin versus the expected 
radiation environment. 

If avionics and power management and distribution masses are included, as shown in Table 3.2.6 presents 

estimates for masses and volume-mass penalties for several configurations of inflatable modules. The first estimate, 
based on findings reviewed by Duffield (2001), uses 0.0622 m of hydrogen-impregnated carbon nanofibers to 
protect the crew quarters from solar particle events. Such a configuration is designed for a lunar mission. The 
assumed containment mass is 5% of the total shielding material mass. The second estimate assumes 0.0622 m of 
                                                           

19

See the fifth configuration in Table 3.2.6 presents estimates for masses and volume-mass penalties for 

several configurations of inflatable modules. The first estimate, based on findings reviewed by Duffield (2001), uses 
0.0622 m of hydrogen-impregnated carbon nanofibers to protect the crew quarters from solar particle events. Such a 
configuration is designed for a lunar mission. The assumed containment mass is 5% of the total shielding material 
mass. The second estimate assumes 0.0622 m of hydrogen-impregnated carbon nanofibers surround the entire crew 
cabin. The third estimate assumes 0.100 m of water surround the entire crew cabin for a lunar mission, which is a 
common “rule of thumb†in some recent design scenarios. Again, this shielding only protects against solar particle 
events. The containment mass, based on Kilbourn (1998), is 6.2% of the shielding material mass. Finally, the last 
estimate employs 2.43 m of liquid hydrogen to shield against both solar particle events and galactic cosmic radiation 
(see Duffield [2001]). The assumed containment mass is 50% of the shielding material mass, and this is likely a 
lower limit. 

 

background image

 

 

 

16

hydrogen-impregnated carbon nanofibers surround the entire crew cabin. The third estimate assumes 0.100 m of 
water surround the entire crew cabin for a lunar mission, which is a common “rule of thumb†in some recent design 
scenarios. Again, this shielding only protects against solar particle events. The containment mass, based on Kilbourn 
(1998), is 6.2% of the shielding material mass. Finally, the last estimate employs 2.43 m of liquid hydrogen to shield 
against both solar particle events and galactic cosmic radiation (see Duffield [2001]). The assumed containment 
mass is 50% of the shielding material mass, and this is likely a lower limit. 

Table 3.2.5, this will add an additional 4.24 kg/m³ to the volume-mass penalties listed above. However, 

these masses are often accounted for in other factors, such as the power-mass penalty. Without radiation shielding or 
micrometeoroid protection, the primary shell and structure of the inflatable module has a volume-mass penalty of 
9.157 kg/m³ or 0.1092 m³/kg. This would be an appropriate estimate for a habitat shielded by local resources, 
whether regolith or in a natural feature such as a lava tube or cavern. 

3.2.2

 

Secondary Structure Costs 

The values in the previous tables quantify the vehicle’s primary structural mass, including the pressure 

vessel and radiation shielding. However, many systems also require additional secondary structure, such as a 
payload rack, drawers, or refrigeration. Based on data from the ISS Program (Green, et al., 2000), Table 3.2.7 
provides estimates for secondary structure masses. Though somewhat simplistic, the volume, power, and thermal 
energy management for equipment housed within or mounted to secondary structure is assumed to be identical to the 
values for the uninstalled piece of equipment. Assuming a piece of equipment is not to be mounted directly to the 
vehicle primary structure, most are mounted to an International Standard Payload Rack. Small items are placed 
within trays and drawers of a stowage rack while some foodstuffs and experiments require the chilled climate 
provided by a refrigerator or freezer. For example: 100 kg of food stored within a refrigerator would incur a 
secondary mass penalty of 136 kg in addition to any power, thermal energy management, or volume penalties, but a 
100-kg pump mounted to the vehicle floor would have no associated secondary mass even though power, thermal 
energy management, and volume – to account for primary structure â€“ might still apply. 

Table 3.2.7 

Secondary Structure Masses 

Mounting Configuration 

Secondary 

Structure Mass 

per Mass of 

Equipment 

[kg 

Secondary Structure

 

/kg 

Equipment

Internal 

Cargo 

Volume 

[m³] 

Reference 

Directly to Primary Structure 

(No Secondary Structure) 

0.00 

n/a 

Directly to International Standard Payload 

Rack 

0.21 

1.57 

Within Trays of a Stowage Rack 

0.80 

0.9 

Within Refrigerator/Freezer Rack 

1.36 

0.614 

(1)

 

Information from 
Green, et al. (2000) 
except as noted. 

(1)

 

Toups, et al. (2001)

 

 

The external volume for an International Standard Payload Rack is 2.00 m³ (Rodriguez and England, 1998). 

The Stowage Rack and the Refrigerator/Freezer Rack are derived from the International Standard Payload Rack and 
have the same external dimensions. 

3.2.3

 

Power Costs 

Selection of power systems for a near-term mission to Mars is an important issue. From an engineering 

perspective, nuclear propulsion and nuclear power for the surface may be essential to provide the required power at 
an acceptable cost. Table 3.2.8 provides a number of power-generation options for various possibilities. Historically, 
in low-Earth orbit, power is either stored in batteries or, alternatively, generated  by non-regenerative fuel cells or 
solar photovoltaic (PV) panels with some form of energy storage for periods when the vehicle is in shadow. The first 
two entries in Table 3.2.8 reflect power generation using ISS technology both with and without energy storage, 
provided by batteries. The first value, with energy storage, should be the default power generation option for low-

background image

 

 

 

17

Earth orbit on vehicles of comparable size. The second value applies only for technologies operating while ISS is in 
sunlight, not operating while in shadow. For nominal calculations, ISS is in shadow for roughly 36 minutes of each 
92 minute orbit at its median altitude. The third table entry assumes Shuttle nonregenerative fuel cells. These fuel 
cells use hydrogen and oxygen as reactants , gaining power and water as products. The cost assumes a six-day 
mission, and the cost for longer missions rised sharply as mission duration increases. 

The power system for transit is a hybrid of deployable PV arrays with batteries and fuel cells. The latter 

provides power during mission phases in which the PV arrays are stowed (such as during an aerocapture maneuver). 
This system is prototypic of a power system for a small Eearth-Luna transit vehicle. 

Providing continuous power on Luna using solar PV power generation requires considerable energy storage 

capacity for any non-polar surface site.  The first surface generation entry for Luna in Table 3.2.8 assumes solar PV 
power generation using tracking arrays with regenerable fuel cells for energy storage. Because most life support 
equipment requires almost continuous power when compared to the lunar diurnal cycle, this first case is the most 
common. Users with power profiles that closely approximate the diurnal cycle on Luna can avoid costly energy 
storage devices as noted in the second and third entries in Table 3.2.8

.

, but such users will likely be exceptions. 

Table 3.2.8 lists two solar-driven power generation technologies for Martian surface operations. Solar 

dynamic systems concentrate incident solar radiation using a spectral parabolic mirror and achieving high 
temperatures at a focal point to drive a generator. Local dust is an obstacle to this approach. As above, regenerative 
fuel cells provide energy storage for periods of local darkness. 

As on Luna, solar PV power generation on Mars requires very large arrays to provide adequate power 

during low-light conditions, such as dust storms (Drake, 1998), and these arrays may be costly and difficult to 
maintain in a dusty environment. Even more problematic than solar power generation on Mars would be solar power 
generation on sites located away from the equator. The two options provided in Table 3.2.8

.

 for power generation 

using PV arrays on the Martian surface assume some advances in PV cell efficiency over current technology, as 
noted in their entries. They also employ regenerable fuel cells for energy storage during periods of local darkness. 

Nuclear generators would provide continuous power regardless of the external environment. The nuclear 

power options presented in Table 3.2.8

.

 are based on technology developed for the SP100 program and they should 

be typical of this approach. However, nuclear reactors of this capacity have not yet been developed for use in space. 
The first nuclear generation option deploys the reactor, using thermoelectric power conversion, on a robotic cart, 
while the second nuclear generation option deploys the same reactor on an independent lander that has no mobility 
once it is on the planetary surface. Both options provide complete shielding for the reactor core when placed 1 km 
from the crew habitat. Further, both of the first two options are ready for operation with little crew interaction. The 
third nuclear generation option emplaces a reactor, with a more efficient Brayton engine for power conversion, 
within a hole in the planetary surface, providing shielding in place of shielding from Earth. The estimate includes 
equipment for emplacement, and this may even be autonomous. The fourth nuclear generation option employs a 
much larger reactor core than the previous three options, and so benefits from an economy of scale. It also employs 
a Stirling engine for power conversion. Because power systems based on nuclear reactors offer the most economical 
performance, compared to other currently available technologies, especially for systems designed to generate a 
megawatt or more, under certain mission variables, nuclear power options may be selected. 

background image

 

 

 

18

 

Table 3.2.8 

Advanced Mission Power Costs and Equivalencies 

Power Cost Options 

 

 

 

 

Earth Orbit 

kg/kW

e

 kW/kg  Comments 

References 

Solar PV Power Generation with 
Batteries for Power Storage 

20

 

476 

(1)

 0.0021 

Continuous Power with 
Deployable PV Cells 

21

 

Solar PV Power Generation 
without Power Storage 

22

 

239 

(1)

 0.0045 

In Sun Power Only with 
Deployable PV Cells 

23

 

Non-Regenerative, 
Hydrogen-Oxygen Fuel Cells 

100 

(1)

 0.010 

Shuttle Technology for 
a Six-day Mission 

Transit 

kg/kW

e

 kW/kg  Comments 

Earth-Luna Transit: 
Hybrid Solar Array System 

237 

(2)

 0.0042 

PV Arrays + Batteries 
and Fuel Cells. 

(1)

 

Hanford and Ewert 
(1996) 

(2)

 

NASA (2001a) 

(3)

 

Hughes (1995) and 
Ewert, et al. (1996) 

(4)

 

NASA (1989) 

(5)

 

Cataldo (1998)

 

Surface – Luna 

kg/kW

e

 kW/kg  Comments 

 

Solar Photovoltaic (PV) Power Generation at Equatorial Site on Luna

 

 

With Regenerative Fuel Cell 
Power Storage 

749 

(3)

 0.0013 

Tracking 

PV 

Arrays 

 

62 

(3)

 0.016 Tracking 

PV 

Arrays   

Without Power Storage 

20 

(3)

 0.050 Horizontal Arrays 

22

 

 

Surface – Mars 

kg/kW

e

 kW/kg  Comments 

 

Solar Dynamic Power Generation at Equatorial Site on Mars 

 

With Regenerative Fuel Cell 
Power Storage 

338 

(4)

 0.0030 

 

 

Without Power Storage 

149 

(4)

 0.0067 

 

 

Solar Photovoltaic Power Generation at Equatorial Site on Mars 

 

178 

(5)

 

0.0056  30% PV Cell Efficiency  

With Regenerative Fuel Cell 
Power Storage 

228 

(5)

 

0.0044  20% PV Cell Efficiency  

Surface – Site Independent 

kg/kW

e

 kW/kg  Comments 

 

Nuclear Power Generation Based on SP100 Program 

23

 

 

On a Mobile Cart 

226 

(5)

 0.0044 

 

On an Independent Lander 

87 

(5)

 0.011 

100 kW

e

 capacity; 

Shielding Included 

 

54 

(5)

 0.019 100 

kW

e

 capacity 

 

Emplaced in an Excavated 
Hole (Excavation 
Equipment is Included) 

29 

(5)

 0.035 1 

MW

e

 capacity. 

 

                                                           

20

 

The value includes significant structures to attach or rotate the solar photovoltaic panel clusters. 

21

 

The value here assumes International Space Station equipment with associated masses and performance. 

22

 

While tracking solar photovoltaic arrays have a fairly constant electrical output when the Sun is above the horizon, the 
electrical output from a horizontal array varies as the Sun moves across the sky, peaking at noon.  
A horizontal array is appropriate for systems whose power consumption is proportional to the Sun’s position above the 
local horizon, such as a vapor compression heat pump whose peak thermal energy management load is at local noon. 

23

 

The systems used to develop these infrastructure estimates assume generation of 100 kW

electric

 of user power continuously 

that are sited 1 km from the base.  For scenarios using one or more 100 kW

e

 systems, these values are appropriate. Systems 

delivering considerably less power will have higher power-mass-penalty values while very large systems, such as a 1 MW

e

 

nuclear power system, will have a lower power-mass-penalty. 

background image

 

 

 

19

3.2.4

 

Thermal Energy Management Costs 

The values in Table 3.2.9. come from a variety of sources. The internal thermal control system values are 

derived from studies of a lunar base, but they are considered typical of other enclosed cabins. The transit vehicle 
external thermal control system estimates are based on Shuttle technology. The primary heat rejection technology is 
radiators while an evaporative device, a flash evaporator, provides supplemental cooling. Transit vehicle external 
thermal control system estimates are provided both with and without supplemental evaporative cooling devices. 
Because a vehicle cannot reject heat using radiant transfer while aero-capturing or entering a planetary atmosphere, 
some other technology, like evaporative cooling, supplements the radiators. Vehicles that do not experience 
aerodynamic heating may use an external thermal control system without any evaporative cooling. The external 
thermal control system value for ISS includes significant penalties for thermal-control-system-specific structure that 
is not necessary for transit vehicles with their lesser heat loads. See Hanford and Ewert (1996) for a detailed 
disposition of ISS external thermal control system masses. 

Options for cooling habitats at a lunar surface site rely on horizontal radiators. Some options also use a 

vapor compression heat pump powered by a dedicated solar PV array. While the heat pump is only available as the 
Sun is above the local horizon, the radiators alone for this option are sized to reject the design load in the absence of 
sunlight. All options assume an equatorial site, which is the most severe for the lunar surface. 

Finally, the external thermal control system options for the Martian surface use only radiators sized for the 

worst environmental conditions expected at an equatorial site—a moderate dust storm—and assume the environment 
does not impact the radiator surface properties. Sites in the Martian southern hemisphere can be more severe 
thermally than equatorial sites. 

For each external thermal control system option above, less massive approaches are available with 

additional mission restrictions. In particular, the options listed with lightweight radiators are conservative 
approximations and research will reduce equipment masses further than these estimates may indicate (see Weaver 
and Westheimer [2002]). The technologies here are generally available but are far from optimal for specific 
applications.

 

•

 

Note: The cost of a complete thermal energy management system is the sum of the internal thermal control 
system cost plus the appropriate external thermal control system cost. The external thermal control system 
costs include the Cooling External Interface costs. 

•

 

Note: The inverse thermal-energy-management-mass penalties, given in kW/kg, may not be summed 
directly. Rather, only the reciprocal values, given in terms of kg/kW, may be summed directly.

 

background image

 

 

 

20

Table 3.2.9 

Advanced Mission Thermal Energy Management Costs and Equivalencies 

Internal Thermal Control System Cost 

 

 

Vehicle/Site 

Independent  kg/kW kW/kg Comments 

References 

Flow Loop 
with Heat Acquisition Devices 

~25 

(1)

 ~0.040 

Half of Heat Load is 
acquired by Coldplates.

External Thermal Control System Cost Options 

 

Transit or Low-Earth Orbit 

kg/kW 

kW/kg 

Comments 

Current Technology, Vehicles:

 

Flow-Through Radiators Only 

30.4 

(2)

0.0329 

Shuttle Technology: 
Aluminum, Body-
Mounted Radiators with 
Silver Teflon Surface 
Coating. 

Lightweight, Flow-Through 
Radiators Only 

~20 

(4)

 ~0.05 

As above with 
Composite, Flow-
Through Radiators. 

Flow-Through Radiators with a 
Supplemental Expendable 
Cooling Subsystem 

40.0 

(2)

0.0250 

“Current Technology, 
Vehicles,†with an 
additional Flash 
Evaporator Subsystem. 

(1)

 Estimated from 

Hanford and Ewert 
(1996) and 
Ewert, et al. (1999) 

(2)

  Hanford and Ewert 

(1996) 

(3)

 Estimated from 

Hanford and Ewert 
(1996) and 
Hanford (1998) 

(4)

 Estimated. 

Lightweight, Flow-Through 
Radiators with a Supplemental 
Expendable Cooling Subsystem 

~30 

(4)

 ~0.033 

As above with 
Composite, Flow-
Through Radiators 

 

Current Technology, 

Space Stations:

 

ISS 

24

 

323.9 

(2)

0.00309

ISS Technology: 
Aluminum, Anti-Sun 
Tracking Radiators with 
Z-93 Surface Coating. 

 

Surface 

– 

Luna 

kg/kW kW/kg Comments 

Notes 

For an Equatorial Site using Horizontal Radiators with Silver Teflon Coating 

Current Technology:

 

Flow-Through Radiators Only 

221 

(1)

 0.0045 

Aluminum, Surface-
Mounted Radiators 

Lightweight, Flow-Through 
Radiators Only 

~190 

(4)

 ~0.0053 

As above with 
Composite Radiators. 

Flow-Through Radiators + Solar 
Vapor Compression Heat Pump 
(SVCHp) 

77 

(1)

 0.013 

Aluminum, Surface-
Mounted Radiators 
with SVCHp 

Lightweight, Flow-Through 
Radiators with Solar Vapor 
Compression Heat Pump 

~72 

(4)

 ~0.014 

As above with 
Composite Radiators. 

Surface – Mars 

kg/kW 

kW/kg 

Comments 

For an Equatorial Site using Vertical Radiators with Silver Teflon Coating 

Current Technology:

 

Flow-Through Radiators Only 

~145 

(3)

 ~0.0069 

Aluminum, Surface-
Mounted Radiators 

Lightweight, Flow-Through 
Radiators Only 

~121 

(3)

 ~0.0083 

As above with 
Composite Radiators. 

•

 

The cost of a 
complete thermal 
energy 
management 
system is the sum 
of the internal 
thermal control 
system cost plus 
the appropriate 
external thermal 
control system cost.

•

 

Inverse values, 
given here in 
kW/kg, may not be 
summed directly. 

                                                           

24

 

The value includes significant structures to attach or rotate the thermal radiator clusters. 

background image

 

 

 

21

3.2.5

 

Crewtime Costs 

Life support equipment requires crewtime for operations and maintenance. This crewtime can be small for 

some systems and large for others. Notably for functions related to food—food  production, food product 
preparation, meal preparation, and waste disposal—the crewtime may be very large. The cost of crewtime is derived 
from the life support system ESM and the crewtime available. Typical equivalencies vary from about 0.1 to 10 
crewmember-hours per kg of ESM. Section 3.3.2 provides additional details. 

3.2.6

 

Location Factors 

Location factors 

25

 describe the additional resources necessary to move a kilogram of payload from low-

Earth orbit to some location elsewhere in space. The additional resources here refer to propulsion assets such as 
engines, fuel, tankage, and associated propulsion-related structure. 

26

  Specifically, a location factor represents the 

additional mass necessary in low-Earth orbit [kg] to push a mass of payload [kg] to a particular destination. Location 
factors allow comparisons between cases where all payloads do not share the same transportation history. In other 
words, one payload option may stay entirely aboard one vehicle during the entire mission, while another payload 
option may jettison mass midway through the mission, reducing its associated propulsion costs for the remainder of 
the mission. Levri, et al. (2003) details use of location factors within equivalent system mass assessments. 

Location factors for two destinations, Luna and Mars, are presented in Table 3.2.10. Estimates for Mars 

assume the Mars Dual Lander architecture, while estimates for Luna are based on a similar architecture using Luna 
as the destination. Both sets of estimates assume chemical propulsion and aero-braking when possible, which is 
current technology for human spaceflight within NASA. 

27

 

Table 3.2.10 

Location Factors for Near-Term Missions 

 

Location Factor [kg/kg] 

 

Mission Element (Segment) 

Lower Nominal 

Upper Reference 

Luna 

 

 

 

Lunar Transfer Vehicle (Full Trip) 

 

7.36

 (1)

 

 

Lunar Transfer Vehicle 

(To Lunar Orbit Only) 

 5.09

 (2)

 

 

(1)

 Geffre (2003) 

(2)

 Geffre (2004)

 

Lunar Lander (To Lunar Surface 

and back to Lunar Orbit) 

 12.78

 (1)

 

 

 

Lunar Lander 

(To Lunar Surface Only) 

 6.98

 (1)

 

 

Mars 

28

 

 

 

 

Mars Transfer Vehicle (Full Trip) 

6.77

 (1)

 6.77

 (1)

 11.14

 (1)

 

 

Mars Transfer Vehicle 

(To Mars Orbit Only) 

3.16

 (2)

 3.16

 (2)

 4.37

 (2)

 

 

Mars Lander (To Martian Surface 

and back to Martian Orbit) 

10.50

 (1)

 10.50

 (1)

 15.83

 (1)

 

Mars Lander 

(To Martian Surface Only) 

3.77

 (1)

 3.77

 (1)

 5.33

 (1)

 

 

Transfer Vehicles travel from low-Earth orbit to either Luna orbit or Mars orbit, then return. The first 

estimate is for a complete trip to and from the celestial body listed, while the second estimate is for payloads that 
travel only to the celestial body listed, then remain behind when the Transfer Vehicle returns. 

Landers travel from low-Earth orbit to either the Lunar or Martian surface and, in some cases, back to orbit. 

For example, within the Mars Dual Lander architecture are two landers. The first, the Mars Descent / Ascent Lander, 
travels to Martian orbit robotically. In orbit, the Mars Transit Vehicle will 

rendezvous

 with the Mars Descent/Ascent 

                                                           

25

 

Some researchers use the term â€œgear ratio†for “location factor.† However, these terms refer to the same concept. 

26

 

Recall that cabin structure, power, cooling, and crewtime costs or penalties are already assessed with other factors. 

27

 

Advanced propulsion concepts may yield much lower location factors in the future, but development of advanced 
propulsion systems for human spaceflight currently has high programmatic risks. 

28

 

Mars Dual Lander architecture. 

background image

 

 

 

22

Lander and the crew transfers to the latter vehicle for the trip to the Martian surface. At the end of the surface stay, 
the Mars Descent / Ascent Lander returns the crew to Martian orbit and the Mars Transit Vehicle for the trip back to 
Earth. The second lander, the Surface Habitat Lander, travels and lands robotically on Mars. The crew transfers to 
the Surface Habitat Lander once they are on the surface. Thus, the Mars Descent/Ascent Lander represents a case in 
which any mass that stays on the vehicle throughout its mission travels all the way to the Martian surface and then 
back to Martian orbit. The Surface Habitat Lander, however, only travels to the Martian surface. 

29

 

Per Levri, et al. (2003), location factors multiply the equivalent system masses to which they apply. The 

location factors given in Table 3.2.10 have units of  “kilograms of total vehicle in low-Earth orbit divided by 
kilograms of life support hardware in low-Earth orbit.† Thus, an equivalent system mass corrected for location is 
the product of the equivalent system mass contributions due to the physical attributes of the hardware and the 
location factor. 

Example: A piece of equipment with an equivalent system mass of 2.0 kg as payload on a Mars Transfer 

Vehicle would have an equivalent system mass corrected for location of 13.54 kg if it remains on board during the 
entire mission from Earth, to Mars, and back to Earth. Or, this value may be expressed as an equivalent system mass 
is 2.0 kg for the payload hardware and other payload equivalencies and an additional 11.54 kg in equivalent system 
mass for propulsion in low-Earth orbit to move the payload to Mars and back. 

Alternatively, location factors in Table 3.2.10 may be expressed as ratios. Thus, the location factor for a 

full trip to and from Mars aboard a Mars Transfer Vehicle may be expressed as 5.77 kg of additional mass for 
propulsion in low-Earth orbit for every 1 kg of payload that travels to Mars and back, or, in shorthand notation, 
5.77:1. Using this approach yields the same result as the second form in the example above. 

3.3

 

Crew Characteristics 

The primary purpose of the life support system is to maintain the crew, and particular crew characteristics 

will drive equipment requirements. From an analysis perspective, the human metabolic rate and available time are 
necessary input values. 

3.3.1

 

Crew Metabolic Rate 

The metabolic load affects air revitalization, food use, and heat production directly and, to a lesser extent, 

also affects water use, waste production, and other functions. Lane, et al. (1996) lists metabolic energy requirements 
as shown in Table 3.3.2. The average metabolic rate assumed for a 70 kg crewmember is 11.82 MJ/CM-d 
(136.8 W/CM), per NASA (1991) 

30

. Here, crewtime is expressed in â€œcrewmember-hours†(CM-h) or 

“crewmember-days†(CM-d) where the prefix “crewmember†(CM) identifies a single individual conducting a task 
for the appended duration. Actual metabolic rate varies with lean body mass, environment, and level of physical 
activity. However, because lean body mass data are difficult to collect, a combination of total body mass and gender 
are often substituted for this parameter. Embedded in this substitution is the generalization that males have a greater 
percentage of lean tissue than females for the same total body mass. Thus, NASA (1995) defines the crewmember 
mass range from a 95

th

 percentile American male, with a total body mass of 98.5 kg, to a 5

th

 percentile Japanese 

female, with a total mass of 41.0 kg. (See Table 3.3.1)  Metabolism increases due to physical exertion, and a heavy 
workload can generate more than 800 W/CM of thermal loading. Few people can continue this level of exertion for 
extended periods, though the total energy expenditure for an exceptionally active 70 kg male could be as high as 
18 MJ/CM-d (208.3 W/CM) of thermal loading on the crew cabin or extravehicular mobility unit (EMU) (Metabolic 
data from Muller and Tobin, 1980.).  Thus, EVA, as noted in Section 5.2, and exercise protocols can elevate 
metabolic rate. These data do not account for any metabolic effects due to low gravity. Data given in following 
sections are scaled for low and high levels of activity and for small and large people. The values derived using 
Table 3.3.2 account for a moderate level of exercise. 

                                                           

29

 

“Mars Transit Vehicle,†“Mars Descent / Ascent Lander,†and â€œSurface Habitat Lander†are specific names for vehicles 
from the Mars Dual Lander architecture. “Transfer Vehicle†and “Lander†are more generic names used here to 
differentiate between two types of vehicles that commonly appear in NASA advanced studies. 

30

 

NASA has used these design values since, or before, the Space Station Freedom program. 

background image

 

 

 

23

Table 3.3.1 

Crewmember Mass Limits 

 

 

Limits  

 Units 

Lower 

Nominal 

Upper 

Reference 

Crewmember 

Mass 

kg 

41.0 70.0 98.5 

From NASA (1995).

 

 

Table 3.3.2 

Human Metabolic Rates 

Gender 

Age [y] 

Metabolic Rate 

31

 [kJ/CM-d]  Reference 

18 â€“ 30 

1.7 (64.02•m + 2,841) 

Male 

30 â€“ 60 

1.7 (48.53•m + 3,678) 

18 â€“ 30 

1.6 (61.50•m + 2,075) 

Female 

30 â€“ 60 

1.6 (36.40•m + 3,469) 

Converted from 
Lane, et al. 
(1996).

 

3.3.2

 

Crewtime Estimates 

Crewtime is an important commodity on any human mission. In fact, wise usage of crewtime is the core of 

all exploration in which human beings take part. Historically, crewtime for life support functions has been limited to 
monitoring equipment and infrequently replacing expendables. Support for the Biomass Subsystem and the 
associated Food Subsystem, however, could easily consume a substantial fraction of the crew’s time if designed 
with inadequate automation. 

The information here is meant to outline the time available to a crewmember during a standard workweek. 

Gall (1999) proposes a generic schedule for crewtime on ISS. This is assumed with slight modifications here as 
shown below in Table 3.3.3. 

Several of the categories in Table 3.3.3 deserve additional explanation. The category “scheduled crew 

activities†includes, among other things, system and vehicle maintenance, according to Gall (1999). Thus, life 
support system maintenance deducts crewtime from other mission objectives. The category “meals†includes pre-
meal preparation and post-meal clean up in addition to actual meal consumption. It is assumed here that the time for 
meals would not diminish on a vacation day. â€œWeekly cleaning†is assumed here to include laundry operations, if 
applicable, in addition to general vehicle cleaning operations. For ISS this is scheduled as four hours per 
crewmember per week during the weekend, or two hours per crewmember per weekend-day. â€œExercise†is assumed 
to include pre- and post-exercise operations, such as post-exercise hygiene operations. In short, exercise includes 
some overhead in addition to the actual time spent exercising. â€œSleep†denotes time for rest. The ISS schedule 
devotes 80 minutes total of â€œdaily payload operations†per non-weekday to support experiments that demand daily 
attention (Gall, 1999). Here, the daily payload operations were extended to 90 minutes, or 15 minutes per 
crewmember per day for a six-member crew, and it is assumed that daily payload operations would be necessary 
even on a vacation day. 
 

Here, the last five categories in Table 3.3.3, ground coordination and planning, exercise, sleep, daily 

payload operations, and free time, are not available for life support operations under nominal scheduling scenarios. 
For purposes here, they are classified as Invariantly-Scheduled Time (IST). 

Time other than IST, theoretically, may be available for either maintaining the life support system or for 

other activities if the life support system uses less time. This time block is designated here as Variably-Scheduled 
Time (VST). VST includes not only time for mission objectives, but also time scheduled for life support operations, 
such as equipment maintenance, meal preparation, consumption and clean-up, and laundry operations. Realistically, 
using the entire block of VST for life support functions is unacceptable, though the total VST places an upper limit 
on available time. Further, any time not used for life support operations may be employed to accomplish mission 
objectives while not impacting the IST. 

As outlined in Gall (1999), ISS will operate on a standard week of seven 24-hour days. The standard 

workweek, for planning purposes, is five days followed by a two-day weekend. Vacation is allotted as eight days per 
crewmember per year regardless of nationality. 

                                                           

31

 

The metabolic rate is the product of a basal rate and an activity factor. The basal rate, in parentheses, depends on 
crewmember mass [kg], 

m

, and a second, mass-independent coefficient. The activity factor here is correlated as a function 

of gender while the other coefficients are correlated as functions of both gender and age. 

background image

 

 

 

24

Table 3.3.3 

Time Allocation for a Nominal Crew Schedule in a Weightless Environment

 

32

 

Activity 

Weekday 

[CM-

h /CM-d]

 

Weekend Day

[CM-h/CM-d]

 

Vacation Day 

[CM-h/CM-d]

 

 

 

Scheduled 

Crew 

Activities  7.75 0.00 0.00 

 

Meals 

3.50 3.50 3.50 

 

Weekly 

Cleaning 

0.00 2.00 0.00 

 

Variably 
Scheduled 
Time 

Ground Coordination and Planning 

0.50 0.50 0.00 

 

Exercise 

2.00 2.00 0.00 

 

Sleep 

8.50 8.50 8.50 

 

Daily 

Payload 

Operations  0.25 0.25 0.25 

 

Free Time 

1.50 

7.25 

11.75 

 

Invariantly 
Scheduled 
Time 

Total 

24.00 24.00 24.00 

 

 

Assuming the standard ISS workweek and vacation schedule, a crewmember will have, on average, 

66.3 CM-h/wk of VST and 101.7 CM-h/wk of IST in a weightless environment. 

33

  Assuming the exercise time is 

0.5 CM-h/d shorter due to working against gravity, a crewmember will have 68.8 CM-h/wk of VST and 
99.2 CM-h/wk of IST on a planetary surface. Minimally, a crewmember might be expected to work at least 
50 CM-h/wk, recalling that this VST includes maintaining the life support equipment and meal operations. The 
maximum available VST might be 10% greater than the average values but, based on Skylab experience, this rate 
can only be maintained for periods of 28 days or less. 

Table 3.3.4 

Crewtime per Crewmember per Week 

Assumptions [CM-h/wk] 

Mission Phase 

Lower Nominal 

Upper 

34

 

References 

Transit/Weightlessness 50 

(1)

 66.3 

(2)

 72.9 

(1)

 

Surface/Hypogravity 50 

(1)

 68.8 

(1)

 75.7 

(1)

 

(1)

 

Estimated (see above) 

(2)

 

Gall (1999)

 

To assess the cost associated with adding an operation that requires crew intervention, a crewtime mass 

penalty is computed by dividing the total per capita life support system mass by the VST crewtime. This penalty 
may be applied to determine the ESM associated with crew operations. Typical values might vary between 
0.1 kg/CM-h and 10 kg/CM-h. 

Two philosophies are commonly employed by researchers to determine a crewtime-mass-penalty (CTMP). 

The first assumes that each hour of crewtime required by the life support systems is equally valuable. The second, as 
                                                           

32

 

From Gall (1999) for International Space Station crews. Note: Time estimates are given for a nominal week inside of ISS 
excluding variations for critical mission functions such as docking/undocking operations and/or EVAs. 

33

 

The term "microgravity" is often used to designate the condition experienced in Earth orbit. However, until one is 
relatively far away from the Earth, gravity is still present, and an older term, "weightlessness," is more accurate. In low-
Earth orbit, the force of gravity is still about 95% of what it is on the surface of the Earth, but objects falling freely â€“ 
whether in orbit or falling towards the atmosphere or in any other trajectory not involving non-gravitational external forces, 
such as propulsion or atmospheric drag â€“ do not feel any force. "Weight" is the term used for the force felt when a human’s 
feet press against the Earth, holding the individual against the force of gravity. In free fall, there is no such force, hence, the 
term "weightless" is more accurate. To get true microgravity â€“ a millionth of that on the surface of the Earth â€“ the Sun's 
gravity must be considered also. At the distance of the Moon, this is about twice that of the Earth. To encounter true 
microgravity, one would have to travel out to near the edge of the Solar System, about as far as the orbit of Uranus. In 
many situations, the difference between microgravity and weightlessness does not matter. However, it can have effects 
with fluids, rotational movement, and large structures, and has been investigated for use with tethers. 

34

 

The listed upper limit for crewtime per week is 10% above the average values discussed in the text. Firm upper limits are 
not currently known, but they are likely to be no greater than these values, especially for operations lasting more than a 
week or two. 

background image

 

 

 

25

forwarded by Levri, et al. (2000), assumes that each additional hour of time required by the life support system is 
more valuable than the previous hour. The first approach is consistent with the philosophy adopted to compute the 
other mass-equivalencies (see Section 3.2), while the second tends to more severely penalize a life support system 
architecture that makes large demands on crewtime. The first approach is recommended for general use. 

The first approach used to determine CTMP assumes each hour of crewtime is equally valuable. Once a 

value for crewtime is established, changes in crewtime have a linear effect on the overall equivalent mass of a life 
support system. Table 3.3.5 provides CTMP values for several mission possibilities computed using Equation 3.3-3. 
Inputs for these values come from or are based on the Advanced Life Support Research and Technology 
Development Metric for Fiscal Year 2001 (Drysdale and Hanford, 2002). The mission elements referenced in 
Table 3.3.5 are detailed in Stafford, et al. (2001). Please note  the Advanced Life Support Research and Technology 
Development Metric for Fiscal Year 2001 used a previous set of infrastructure values than those presented above in 
Section 3.2. The lower and nominal values in Table 3.3.5 are derived from life support systems using ALS 
technologies, while the upper values reflect ISS technologies. 

Table 3.3.5 

Crewtime-Mass Penalty Values Based Upon Fiscal Year 2001 Advanced Life Support 

Research and Technology Development Metric 

 

Assumptions [kg/CM-h] 

 

Mission Lower 

Nominal 

Upper 

Reference 

Low Earth Orbit 

 

 

 

ISS, Assembly Complete for 

United States On-orbit Segment 

0.49 0.49 0.65 

Mars 

 

 

 

Mars 

Transit 

Vehicle 

1.14 1.14 1.54 

Mars Descent / Ascent Lander 

6.01 

6.01 

8.39 

Surface 

Habitat 

Lander 

1.25 1.25 1.50 

Drysdale and Hanford 
(2002)

 

The second approach to determine CTMP values assumes each hour of crewtime required by the life 

support system is more valuable than the previous hour. Thus, the CTMP is computed by dividing the life support 
system mass, excluding crewtime, by the total available crewtime that is not devoted to personal activities or to 
maintaining the life support system. Equivalently, this latter denominator is VST minus time devoted to the life 
support system. This value is effectively fixed once the total crewtime, crewtime devoted to the life support system 
and the life support system mass are determined. However, this value is a function of crewtime required to service 
and maintain the life support system, so it will vary if its component values change. 

Assuming each hour of crewtime is more valuable than the previous hours of crewtime, Levri, et al. (2000) 

present a formulation for the second crewtime-value formulation. They define the following terms: 

Symbol Units 

Physical 

Meaning 

ESM

w/o ch

 [kg] 

Equivalent system mass (ESM) for the life support system 
without accounting for crewtime spent for life support. Or, the 
“non-crewtime†portion of ESM. 

ESM

LSS

 [kg] 

Component of life support ESM to support crewtime involved 
in life support. Or, the “crewtime†portion of ESM. 

ESM

 Total

 

[kg] 

Total life support system ESM; ESM

w/o ch

 + ESM

LSS

t

LSS

 [CM-h/wk] 

Crewtime spent on the life support system. This is identical to 
the portion of VST spent of life support. 

t

MP

 [CM-h/wk] 

The total crewtime per week available for life support system 
maintenance or mission-related objectives. This is equivalent to 
VST. 

t

MP-LSS

 [CM-h/wk] 

Crewtime per week not devoted to the life support system or to 
personal activities; t

MP

 - t

LSS

. This is crewtime available for 

mission-related objectives such as science or exploration. 

background image

 

 

 

26

Levri, et al. (2000) then assume that the overall ESM of the life support system, including the crewtime, is 

proportional to the total mission production time as the ESM of the life support system without crewtime is 
proportional to mission production time less the time for life support, or: 

MP

Total

t

ESM

 = 

LSS

MP

ch

o

/

w

t

ESM

−

 

Equation 3.3-1 

Alternatively, the overall ESM of the life support system is: 

ESM

 Total

 = ESM

 w/o ch

 

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

âŽ

⎛

−

LSS

MP

MP

t

t

 

Equation 3.3-2 

Using this approach, as crewtime for life support increases, the crewtime per week not devoted to life 

support or to personal activities, t

MP-LSS

, decreases, and the overall ESM for the life support system increases in a 

non-linear manner. In fact, as t

MP-LSS

 approaches zero, the overall ESM for the life support system approaches 

infinity. 

Thus, here CTMP is derived by dividing the life support equivalent system mass excluding crewtime by the 

total available crewtime not devoted to personal activities or life support maintenance. 

CTMP = 

MP

ch

o

/

w

t

ESM

 

Equation 3.3-3 

3.3.3

 

Nominal Human Interfaces 

Nominal balances of major life support commodities are summarized in Table 3.3.6 for a standard 70 kg 

crewmember with a respiratory quotient 

35

 of 0.869 during IVAs. The water loads include 0.345 kg/CM-d of 

metabolically generated water. Actual values depend on many factors, including physical workload, diet, and 
individual metabolism. 

 
For a food system based on the Shuttle Training Menu, as detailed above, Levri (2002) lists the properties 

of the rehydration apparatus and conduction oven collectively as 36.3 kg occupying 0.094 m³ based on the Shuttle 
galley. During use, the rehydration apparatus consumes up to 0.540 kW to heat water. The conduction oven, when 
operational, consumes up to 0.360 kW for heaters and 0.060 kW for fans. Thus, the maximum total power load for 
the galley is 0.960 kW during operation. 

 

Perchonok, et al. (2002) reports a loaded ISS food container for Phase II averages 5.5 kg each and contains 

nine meals plus snacks. This is equivalent to a single day’s food for three ISS crewmembers. This is equivalent, on 
average, to 0.611 kg/meal, assuming snacks are extensions of the standard meals, or 1.83 kg/CM-d. Individual food 
container masses vary according to individual crew entrée preferences and nutritional requirements, and the 
containers themselves are placed in racks, incurring a secondary structure penalty not included in the masses above. 
 

                                                           

35

 

Respiratory quotient is defined as moles of carbon dioxide produced divided by moles of oxygen consumed. 

background image

 

 

 

27

Table 3.3.6 

Summary of Nominal Human Metabolic Interface Values 

Balance 

36

 

Interface Units 

Nominal 
Value References 

 Basis 

   

 Overall 

Body 

Mass 

kg 

70.0 

 Respiratory 

Quotient 

 0.869 

 Air 

   

−

 m 

Carbon Dioxide Load 

kg/CM-d 

0.998 

+ m 

Oxygen Consumed 

kg/CM-d 

0.835 

 

Food 

 

 

+ m 

Food Consumed; Mass 

37

 

kg/CM-d 

0.617 

38

 

+ E 

Food Consumed; Energy Content 

MJ/CM-d 

11.82 

+ m 

Potable Water Consumed 

39

 

kg/CM-d 

3.909 

(1)

 

 

Thermal 

 

 

−

 E 

Total Metabolic Heat Load 

40

 

MJ/CM-d 

11.82 

 

Sensible Metabolic Heat Load 

MJ/CM-d 

6.31 

 

Latent Metabolic Heat Load 

41

 

MJ/CM-d 

5.51 

 

Waste 

 

 

−

 m 

Fecal Solid Waste (dry basis) 

kg/CM-d 

0.032 

−

 m 

Perspiration Solid Waste (dry basis) 

kg/CM-d 

0.018 

−

 m 

Urine Solid Waste (dry basis) 

kg/CM-d 

0.059 

 

Water 

42

 

 

 

−

 m 

Fecal Water 

kg/CM-d 

0.091 

−

 m 

Respiration and Perspiration Water 

43

 

kg/CM-d 

2.277 

−

 m 

Urine Water 

kg/CM-d 

1.886 

(1)

 

Converted from 
NASA (1991) unless noted 
otherwise. 

(1)

 

From NASA (1991) 
and Perchonok (2001)

 

                                                           

36

 

Masses consumed by the crewmember are denoted by â€œ+ 

m

,†while masses rejected by the crewmember are denoted by 

“- 

m

.† Likewise, energy entering the crewmember is denoted by â€œ+ 

E

,†while energy rejected by the crewmember is 

denoted by â€œ- 

E

.†

37

 

This assumes a completely dehydrated or dry basis. 

38

 

Dry mass with no water content. Bourland (1998) gives a value of 0.674 kg/CM-d. (See Table 3.2.9). 

 

39

 

This value includes drink water and moisture contained within consumed food. Food is not generally dehydrated. 

40

 

The total metabolic heat load is the summation of the sensible and latent metabolic heat loads. 

41

 

Assuming a latent heat for water of 2,420 kJ/kg. 

42

 

The difference between the water load sum of fecal water, respiration and perspiration water, and urine water, and the 
potable water consumed, as given above, is metabolic water. Here, metabolic water is 0.345 kg/CM-d. Also, the water 
values below are consistent with the dry basis waste values above. 

43

 

The respiration and perspiration water corresponds to the latent metabolic heat load above. 

background image

 

 

 

28

4

 

Life Support Subsystem Assumptions and Values 

4.1

 

Air Subsystem 

4.1.1

 

Design Values for Atmospheric Systems 

Air regeneration is one of the more time-critical life support functions. Typical control (steady state) values 

are given in Table 4.1.1. Total pressure is an issue. Some generally prefer to use normal sea-level pressure because 
that is the condition under which most known data were collected and because people can live satisfactorily for 
extended periods under these conditions. Others, however, prefer lower pressures, to reduce the mass of required 
gas, the mass of the vehicle, and the requirement to pre-breathe with current EMUs or “spacesuits.† Reduced 
pressure normally entails increasing the percentage of oxygen, relative to other gases in the cabin atmosphere, which 
increases the risk of fire. Here, a nominal cabin pressure of 70.3 kPa is assumed based on Lin (1997). 

The tolerable partial pressure of carbon dioxide, p(CO

2

), for humans, is higher than what is accepted as 

desirable for most plants. The generally accepted optimum for plants is 0.120 kPa (1,200 ppm), but the practical 
upper limit on carbon dioxide for plant chambers is currently unknown. Separate atmospheric concentrations could 
be used for crew compartments and plant chambers by regulating inter-chamber gas transfer rates. Earth normal 
p(CO

2

) is 0.035 kPa to 0.040 kPa (350 to 400 ppm). 

Table 4.1.1 

Typical Steady-State Values for Vehicle Atmospheres 

 

 

Assumptions 

44

 

 

Parameter Units 

Lower 

Nominal Upper  References 

Carbon Dioxide Generated 

kg/CM-d 

0.466 

(1)

 0.998 

(2)

 2.241 

(1)

 

Oxygen Consumed 

kg/CM-d 

0.385 

(1)

 0.835 

(2)

 1.852 

(1)

 

p(CO

2

) for Crew 

45

 

kPa 0.031 

(6)

 0.4 

(3)

 0.71 

(6)

 

p(CO

2

) for Plants 

47

 kPa 0.04 

(4)

 0.12 

(5)

 TBD 

p(O

2

) for Crew 

kPa 

18.0 

(6)

 

18.0 - 23.1 

(6)

23.1 

(6)

 

Total Cabin Pressure 

kPa 

48.0 

(6)

 

46

70.3 

(3)

 102.7 

(6)

 

Temperature K 

291.5 

(6)

 295.2 

(6)

 299.8 

(6)

 

Relative Humidity 

25 

(6)

 60 

(6)

 70 

(6)

 

Perspired Water Vapor 

kg/CM-d 

0.036 

(7)

 0.699 

(7)

 1.973 

(7)

 

Respired Water Vapor 

kg/CM-d 

0.803 

(7)

 0.885 

(7)

 0.975 

(7)

 

Leakage Rate (spaceflight)  %/d 

0.05 

(8)

 0.14 

(8)

 

Leakage Rate (test bed) 

%/d 

(9)

 5 

(9)

 10 

(9)

 

(1)

 

calculated based upon 
lower and upper 
metabolic rates. 

(2)

 

NASA (1991) 

(3)

 

Lin (1997) 

(4)

 

Earth normal 

(5)

 

accepted optimum for 
plant growth 

(6)

 

Duffield (2003) 

(7)

 Boeing (2002) 

(8)

 

computed from 
NASA (1998) and 
Boeing (1994) 

(9)

 

Eckart (1996)

 

In addition to the carbon dioxide load noted above in Table 4.1.1, human beings also emit volatile 

compounds, products of metabolic processes, on a per crewmember per diem basis, as noted in Table 4.1.2, while 
Table 4.1.3 details emissions from cabin equipment on a per mass of equipment per diem basis (Perry, 1998). This 

                                                           

44

 

The values here are averages for nominal operation of the life support system. Degraded or emergency life support system 
values may differ. 

45

 

While any contaminant removal technology must, by requirement, maintain that contaminant’s concentration below a set 
value, the nominal concentration likely corresponds to that provided when the technology is operating most efficiently 
rather than to some specific value (Lange, 1999). Barring other constraints, technology efficiency dictates the nominal 
carbon dioxide concentration derived from any carbon dioxide removal equipment. However, the values here provide 
carbon dioxide concentrations for studies that do not explicitly determine such values independently. 

46

 

An almost pure oxygen atmosphere, such as was utilized for early spacecraft (Mercury, Gemini, and Apollo), has a total 
pressure of 34.5 kPa. Skylab used an atmosphere at 34.4 kPa (258 millimeters of mercury), but the crews reported 
numerous discomforting effects. 

background image

 

 

 

29

model (Perry, 1998) lists trace contaminant emissions accounting for greater than 97% of the observed loading 
during past Shuttle and Spacelab missions, while Perry (1995) gives a complete listing of observed emissions for 
Shuttle and Spacelab. In addition to the emission rates, Table 4.1.2 and Table 4.1.3 list the International Union of 
Pure and Applied Chemistry (IUPAC) name 

47

 of the compound in brackets, when it differs from the common name, 

along with the molecular weight (MW). Current spacecraft maximum allowable concentration (SMAC) 
requirements for these compounds may be found in Duffield (2003). These compounds are historically removed by 
the trace contaminant control technologies. 

To estimate a loading rate for contaminant removal design, Perry (1998) recommends using the mean rate 

plus one standard deviation. For more conservative designs, the maximum design loading case should be no more 
than the mean rate plus 1.6 standard deviations. 

Table 4.1.2 

Model for Trace Contaminant Generation from Human Metabolism

 

48

 

Component 

MW 

Mean Rate [mg/d-kg] 

Standard Deviation [mg/d-kg] 

ammonia 17.00 

350.0 

1.36 

methane 16.04 

234.0 

94.7 

hydrogen 2.02 

31.3 

19.0 

carbon monoxide 

28.01 

13.8 

3.74 

acetone [2-propanone] 58.08 

9.63 

9.12 

methyl ethyl ketone [2-butanone] 72.11 

8.74  2.86 

ethane 30.07 

4.29 

2.41 

propane 44.09 

3.29 

2.10 

ethyl alcohol [ethanol] 

46.07 

2.18 

2.08 

benzene 78.11 

1.18 

0.972 

isopropyl alcohol [2-propanol] 

60.09 

1.02 

0.671 

isoprene [2-methyl-1,3-butadiene] 

68.12 

0.913 

0.643 

pentane 72.15 

0.765 

0.457 

toluene [methylbenzene] 

92.15 

0.462 

0.179 

n-propyl alcohol [1-propanol] 

60.09 

0.408 

0.168 

methyl alcohol [methanol] 

32.04 

0.396 

0.478 

n-butyl alcohol [1-butanol] 74.12 

0.395 

0.122 

ethyl acetate [ethanoic acid ethyl ester] 

88.11 

0.391 

0.384 

ethylbenzene 106.16 

0.373 

0.156 

hexahydrophenol [cyclohexanol] 100.16 

0.370  0.130 

acetaldehyde [ethanal] 44.05 

0.338 

0.258 

p-dioxane [1,4-dioxane] 

88.11 

0.317 

0.142 

carbolic acid [phenol] 

94.11 

0.258 

0.060 

formaldehyde [methanal] 

30.03 

0.167 

0.264 

methyl chloroform [1,1,1-trichloroethane] 

133.41 

0.161 

0.249 

propionaldehyde [propanal] 

58.08 

0.154 

0.266 

butyl acetate [ethanoic acid butyl ester] 

116.16 

0.132 

0.0512 

hexamethylene [cyclohexane] 

84.16 

0.121 

0.0512 

isobutyl acetate [ethanoic acid isobutyl ester] 

116.16 

0.0761 

0.0301 

methyl isobutyl ketone [4-methyl-2-pentanone] 100.16 

0.0747 

0.0251 

methylene chloride [dichloromethane] 

84.93 

0.0647 

0.0245 

chlorophene [chlorobenzene] 

112.56 

0.0497 

0.0208 

isobutyl alcohol [2-methyl-1-propanol] 74.12 

0.0477 

0.0827 

tetrachloroethylene [tetrachloroethane] 

165.83 

0.0472 

0.0195 

o-xylene [1,2-dimethylbenzene] 

106.16 

0.0323 

0.0242 

m-xylene [1,3-dimethylbenzene] 

106.16 

0.0323 

0.0242 

p-xylene [1,4-dimethylbenzene] 

106.16 

0.0323 

0.0242 

propylbenzene 120.20 

0.0276 

0.0107 

propyl acetate [ethanoic acid propyl ester] 

102.13 

0.00146 

0.00252 

n-amyl alcohol [1-pentanol] 

88.15 

0.000866 

0.00150 

                                                           

47

 

The Commission on Nomenclature by The Council of the International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) at 
Paris, 1957, defined IUPAC nomenclature. 

48

 

From Perry (1998). 

background image

 

 

 

30

Table 4.1.3 

Model for Trace Contaminant Generation from Cabin Equipment

 

49

 

Component 

MW 

Mean Rate [mg/d-kg] 

Standard Deviation [mg/d-kg] 

Freon 113 [1,1,2-trichloro-1,2,2-trifluoroethane] 

187.40 

0.00864 

0.0103 

ethyl alcohol [ethanol] 

46.07 

0.00353 

0.00432 

methyl ethyl ketone [2-butanone] 

72.11 

0.00281 

0.00320 

isopropyl alcohol [2-propanol] 

60.09 

0.00251 

0.00148 

n-butyl alcohol [1-butanol] 

74.12 

0.00227 

0.00244 

acetone [2-propanone] 

58.08 

0.00223 

0.00139 

toluene [methylbenzene] 

92.15 

0.00153 

0.000455 

carbon monoxide 

28.01 

0.00137 

0.000658 

methylene chloride [dichloromethane] 

84.93 

0.00112 

0.00103 

methyl isobutyl ketone [4-methyl-2-pentanone] 

100.16 

0.000864 

0.000546 

methyl alcohol [methanol] 

32.04 

0.000855 

0.000418 

chlorophene [chlorobenzene] 

112.56 

0.000784 

0.000760 

Freon 11 [trichlorofluoromethane] 

137.40 

0.000771 

0.000637 

m-xylene [1,3-dimethylbenzene] 

106.16 

0.000703 

0.00132 

p-xylene [1,4-dimethylbenzene] 

106.16 

0.000668 

0.000412 

methane 16.04 

0.000543 

0.000096 

cellosolve acetate [ethanoic acid 2-ethoxyethyl ester] 

132.16 

0.000461 

0.000285 

pimelic ketone [cyclohexanone] 

98.14 

0.000434 

0.000228 

isobutyl alcohol [2-methyl-1-propanol] 

74.12 

0.000414 

0.000433 

methyl chloroform [1,1,1-trichloromethane] 

133.41 

0.000414 

0.000258 

butyl acetate [ethanoic acid butyl ester] 

116.16 

0.000398 

0.000348 

tetrachloroethylene [tetrachloroethane] 

165.83 

0.000380 

0.000348 

n-butylaldehyde [butanal] 

72.10 

0.000311 

0.000548 

o-xylene [1,2-dimethylbenzene] 

106.16 

0.000307 

0.000249 

ethyl cellosolve [2-ethoxyethanol] 

90.12 

0.000281 

0.000383 

hexahydrophenol [cyclohexanol] 

100.16 

0.000267 

0.000489 

octamethylcyclotetraoxosilane 296.62 

0.000184 

0.000086 

propionaldehyde [propanal] 

58.08 

0.000162 

0.000157 

carbolic acid [phenol] 

94.11 

0.000159 

0.000324 

ethyl acetate [ethanoic acid ethyl ester] 

88.11 

0.000158 

0.000138 

hexamethylene [cyclohexane] 

84.16 

0.000148 

0.000231 

adipic ketone [cyclopentanone] 

84.11 

0.000148 

0.000322 

propyl acetate [ethanoic acid propyl ester] 

102.13 

0.000118 

0.000220 

mesityl oxide [4-methyl-3-penten-2-one] 

98.14 

0.000116 

0.000075 

hexamethylcyclotrioxosilane 222.40 

0.000115 

4.65 

×

 10 

-5

 

n-propyl alcohol [1-propanol] 

60.09 

0.000111 

0.000130 

propylbenzene 120.20 

9.61 

×

 10 

-5

 

0.000119 

ethylbenzene 106.16 

8.38 

×

 10 

-5

 6.60 

×

 10 

-5

 

Halon 1301 [bromotrifluoromethane] 

148.90 

8.06 

×

 10 

-5

 

0.000180 

trimethylsilanol 90.21 

7.89 

×

 10 

-5

 8.98 

×

 10 

-5

 

n-amyl alcohol [1-pentanol] 

88.15 

7.20 

×

 10 

-5

 9.00 

×

 10 

-5

 

acetaldehyde [ethanal] 

44.05 

6.86 

×

 10 

-5

 3.99 

×

 10 

-5

 

methyl methacrylate [2-methyl propenoic acid methyl ester] 

100.12 

6.78 

×

 10 

-5

 6.19 

×

 10 

-5

 

methyl acetate [ethanoic acid methyl ester] 

74.08 

6.18 

×

 10 

-5

 7.91 

×

 10 

-5

 

isobutyl acetate [ethanoic acid isobutyl ester] 

116.16 

5.85 

×

 10 

-5

 9.32 

×

 10 

-5

 

p-dioxane [1,4-dioxane] 

88.11 

5.76 

×

 10 

-5

 5.60 

×

 10 

-5

 

pentane 72.15 

4.46 

×

 10 

-5

 5.08 

×

 10 

-5

 

tert-butyl alcohol [2-methyl-2-propanol] 

74.12 

4.36 

×

 10 

-5

 3.02 

×

 10 

-5

 

ethylene dichloride [1,2-dichloroethane] 

98.97 

4.24 

×

 10 

-5

 3.50 

×

 10 

-5

 

ammonia 17.00 

4.11 

×

 10 

-5

 4.35 

×

 10 

-5

 

decamethylcyclopentaoxosilane 370.64 

2.30 

×

 10 

-5

 2.66 

×

 10 

-5

 

benzene 78.11 

1.51 

×

 10 

-5

 1.00 

×

 10 

-5

 

Freon 12 [dichlorodifluoromethane] 

120.91 

6.25 

×

 10 

-6

 7.21 

×

 10 

-6

 

hydrogen 2.02 

2.41 

×

 10 

-6

 3.50 

×

 10 

-6

 

propane 44.09 

4.27 

×

 10 

-7

 4.94 

×

 10 

-7

 

ethane 30.07 

4.07 

×

 10 

-7

 7.60 

×

 10 

-7

 

formaldehyde [methanal] 

30.03 

1.74 

×

 10 

-8

 2.67 

×

 10 

-8

 

                                                           

49

 

From Perry (1998). 

background image

 

 

 

31

4.1.2

 

Gas Storage 

Gas storage is necessary for any life support system. Gas can be stored in pressure vessels, as a cryogenic 

fluid, adsorbed, or chemically combined. The cost of storage depends on the gas, with the “permanent†gases, such 
as nitrogen and oxygen, requiring higher pressure and remain in the gaseous state at normal temperatures, while the 
“non-permanent†gases, such as carbon dioxide, can be stored as liquids under pressure. Cryogenic storage requires 
either continuous thermal energy management or use of a small quantity of the gas to provide cooling by 
evaporation. Adsorption and chemical combination are very gas-specific and vary in performance. See Table 4.1.4 
for known gas storage tankage masses. 

Table 4.1.4 

Gas Storage 

 

Performance [kg of tankage/kg of gas

]  

Type of Storage 

Nitrogen 

Oxygen 

References 

Pressure Vessel 

0.556 – 1.70 

(1)

 0.364 

(2)

 

Cryogenic Storage 

0.524 

(2)

 0.429 

(2)

 

(1)

 

Lafuse (2001) 

(2)

 

From Ham. Stand. (1970)

 

4.2

 

Biomass Subsystem 

4.2.1

 

Plant Growth Chambers 

4.2.1.1

 

Lighting Assumptions 

Plants offer the greatest opportunity for self-sufficiency and, possibly, cost reduction for long-duration 

missions, but at the same time have some of the greatest unknowns. An attempt has been made to estimate the mass 
of a plant growth system on the surface of an extraterrestrial body such as Mars. Two uncertainties are the cost of 
power, and the availability of water locally. The initial assumption, as shown in Table 4.2.1, is that natural lighting 
cannot be used since Mars is farther from the Sun than the Earth. Significant quantities of dust are always present in 
the Martian atmosphere and global dust storms occur during Martian spring that often last for as long as a month 
during which the light levels are reduced significantly. 

In addition, fresh food is crucial to crew welfare, and nutritionists generally recommend deriving food from 

original sources such as grown plants and/or livestock. Because livestock production is more expensive even 
terrestrially, early in-situ food production will likely concentrate on growing crops. Since shipped fresh foodstuffs 
from crops are heavier than dehydrated or low-moisture foods due to the significant mass associated with natural 
moisture, plants will probably be grown on an extraterrestrial body. The proportion of food that will be grown 
locally versus what proportion will be shipped remains variable. 

Table 4.2.1 

Lighting Data 

Parameter [Units] 

Low 

Nominal High References 

Light Conversion Efficiency 
[W

 photosynthetically active radiation

/W

 electrical

50

 

0.18 

(1)

 0.3 

(2)

 0.5 

(1)

 

Light Delivery Efficiency [PPF

 delivered

/PPF

 emitted

51

 

0.3 

(1)

 0.37 

(2)

 0.7 

(1)

 

Overall Lighting Efficiency 

0.05 

(1)

 0.11 

(2)

 0.35 

(1)

 

(1)

 

Sager (1999) 

(2)

 

Ewert (1998) 

A key parameter for plant growth is lighting, and electrical lighting might provide the necessary lighting. 

The efficiency of electrical lighting depends on the efficiency of the conversion of electricity into radiant energy, 
and the direction of this energy onto the plant canopy. The conversion efficiency depends on the type of lamp. 
Accordingly, many factors impact photosynthetically active radiation (PAR). Photosynthetic photon flux (PPF) is 
the light absorbed by the plants and used for photosynthesis, and is similar in extent to visible light, but has a 
different graph of absorption versus wavelength, peaking in the red and blue rather than in the yellow. Incandescent 

                                                           

50

 

Light Conversion Efficiency describes the proportion of lighting system power that eventually becomes PPF. 

51

 

Light Delivery Efficiency describes the proportion of PPF at the lamp surface that is delivered to the canopy. 

background image

 

 

 

32

lamps work well because they are red-rich, but the conversion efficiency is low. High-pressure discharge lamps 
produce more light, but the spectrum is not as photosynthetically efficient. New lamp types, such as microwave 
lamps, have good efficiency and spectrum (Sager, 1999). Direction of the energy to the canopy depends on the 
geometry of the lamp, the distance from the lamp to the canopy, and the quality of the reflectors. The Biomass 
Production Chamber (BPC) at Kennedy Space Center used relatively unsophisticated reflectors and achieved a 
rating of approximately only 30%. Much higher ratings can be achieved, but it is difficult to maintain these high 
ratings over long time periods. 

4.2.1.2

 

Lighting Equipment Data 

Additional assumptions can be made about specific lighting systems. Data for 400 W high-pressure sodium 

lights (HPS) are shown below. 

Table 4.2.2 

High Pressure Sodium Lighting Data 

 Units 

Low 

Nominal 

High 

References 

Lamp Power 
(not including ballast) 

kW -- 

0.4 

(2)

 -- 

Lamp Mass 

kg 

 

0.21 

(2)

 

 

Lamp Life 

10³ h

 

 20 

(1)

 24 

(1)

 

Number of 400 W Lamps per 
Area to Give 1,000 

µ

mol/(m²•s) 

lamps/m² 

1.43 

(3)

 4.504 

(4)

 9.259 

(3)

 

Time to Change Out Lamps 

CM-h 

 

0.03 

(5)

 

 

Photoperiod per Day 

52

 

h/d 10 

(1)

 

10-24 

53

 

24 

(1)

 

Lamp Volume for Resupply 

m³ 

×

 10

-

³

 

 0.625 

(1)

 

 

Ballast Power 

kW/lamp 

0.03 

(1)

 0.06 

(2)

 0.08 

(1)

 

Ballast Mass 

kg/lamp 

2.85 

(6)

 4.76 

(1)

 9.52 

(2)

 

Ballast Life 

10³ h

 

 88 

(7)

 

 

Mass of Coldplate, Water 
Barrier, Condensing Heat 
Exchangers per Growing Area 

kg/m² 

4.43 

(8)

 

54

7.02 

(8)

 

55

25.83 

(8)

 

56

Height of Lighting Assembly 

 

0.15 

(9)

 0.3 

(1)

 

Lamp Resupply Mass Factor 

kg/kg 

 

0.8 

(10)

 

 

Lamp Resupply Volume Factor  m³/m³ 

 

0.5 

(1)

 

 

(1)

 

Drysdale (1999a) 

(2)

 

Hanford (1997) 

(3)

 

Hunter and Drysdale 
(2002) based on 
Sager (1999) 

(4)

 

Hunter and Drysdale 
(2002) based on 
Ewert (1998) 

(5)

 

A rough value from 
Hunter, J. 

(6)

 

Ewert (2001) 

(7)

 

Barta and Ewert 
(2002) 

(8)

 Ewert (1998) 

(9)

 

BIO-Plex drawings 

(10)

 

See Table 3.2.7. This 
value corresponds 
to storing lamps 
within trays.

 

 

Resupply mass and volume factor account for the extra mass and volume required to package replacement 

lamps. This is in addition to any mass and volume associated with the lamp itself. 

                                                           

52

 

This is generally crop dependent, although the values here provide the range for all ALS crops. 

53

 

See Table 4.2.6 for nominal photoperiods of candidate ALS crops. 

54

 

This system uses only a bulb in a water jacket. Transmissivity, relative to the baseline case using a coldplate and no barrier, 
is 0.92. The ratio of total radiation to PAR is 1.6 compared to 2.0 for the baseline.  
Note: This configuration provided the best overall performance in testing. 

55

 

This system uses a bulb in a water jacket with a Teflon barrier. Transmissivity, relative to the baseline case using a 
coldplate and no barrier, is 0.846. The estimated ratio of total radiation to PAR is 1.6 compared to 2.0 for the baseline. 

56

 

This system uses a coldplate with a glass barrier. Transmissivity, relative to the baseline case using a coldplate and no 
barrier, is 0.89. The ratio of total radiation to PAR is 1.7 compared to 2.0 for the baseline. 

background image

 

 

 

33

4.2.1.3

 

Plant Growth Chamber Cost Factors 

The cost factors for a plant growth chamber have been estimated on a square-meter basis. This addresses 

the plant growth chamber itself. If crew access is needed, and it generally will be, provision must be made for that 
access. A reasonable number might be 25-50% of the plant canopy area. Lower numbers may be adequate if 
extensive physical automation is planned. A higher number may be appropriate if most tasks are performed 
manually. Crew access space would not, however, require the equipment and other costs shown here. Crew height 
will be greater than the height of most plants that have been considered for ALS crops. Layout of the crops and crew 
space will depend on issues such as the type of plant lighting. Therefore, if natural lighting is to be used, only a 
single layer of crops might be possible due to the diffuseness of light on Mars. In this case, the limiting height would 
be the taller of the crew and the plants. Table 4.2.3 (Drysdale, 1999b) presents preliminary values for an optimized 
biomass production chamber based on projecting current NASA growth chambers to flight configurations. 

Table 4.2.3 

Plant Growth Chamber Equivalent System Mass per Growing Area 

Component 

Mass 
[kg/m

2

Volume 
[m

3

/m

2

Power 
[kW/m

2

Thermal 
Energy 
Management 
[kW/m

2

Crew-
time 
[CM-h 
/m

2

•

y] 

Logistics 
[kg 
/m

2

•

y] Reference 

Crops 

20.0 

– – – 

13.0  

Shoot Zone 

3.6 

0.67 

0.3

 

57

 

0.3 

59

 

– – 

Root Zone and 
Nutrients 

36.8 0.11  0.14 

0.14  TBD TBD 

From Drysdale 
(1999b)

 

Lamps 22.9 

0.25 

2.1 

2.1 

0.027 

0.57 

 

Ballasts 8.4 

TBD 

0.075 

0.075 

0.032 

3.24 

 

Mechanization 
Systems 

4.1 TBD  TBD  TBD TBD 

TBD 

 

Secondary 
Structure 

5.7 

– – – 

– – 

 

Total 101.5 

1.03 

2.6 

2.6 

13.1 

3.81 

 

4.2.1.4

 

Biomass Production Chamber Specifications for an Integrated Test Facility 

Barta, et al. (1999) presents preliminary physical values for the first biomass production chamber of the 

now-suspended Bioregenerative Planetary Life Support Systems Test Complex (see Table 4.2.4). 

58

 Because many 

conditions will vary as a function of test goals and each cultivar’s needs, nominal values are not generally 
appropriate. Further, some values, as noted, are controlled for the chamber overall while others may be set for each 
shelf of crops. Nominally, the total atmospheric pressure is maintained at 101±3 kPa. For the plants alone, the plant 
chamber atmosphere must be at least 5.0 % oxygen. However, to support human respiration without personal 
protective equipment, the chamber atmosphere must be 18.5 % oxygen. Interested readers should also consult 
Wheeler, et al. (2003) for crop-specific guidance using NASA’s envisioned biomass production technologies. 

                                                           

57

 

Power consumption and thermal energy management within the shoot zone reflect fans for gas movement. 

58

 

Editor’s Note:

 At this time, the scope and purpose of the integrated test stand to support hardware development within the 

ALS Project is under review. Because of prior programs such as the Bioregenerative Planetary Life Support Systems Test 
Complex (BIO-Plex), very precise values are available for some earlier facilities. The configuration and specifications in 
the actual ALS integrated testing facility, however, may differ from those listed here. The values here are likely 
representative of a bioregenerative research facility. 

background image

 

 

 

34

Table 4.2.4 

Physical Parameters for the First Biomass Production Chamber in BIO-Plex 

Parameter Units 

Low 

High 

 

Overall Chamber Values: 

 

 

 

Reference 

Oxygen Concentration 

18.5 

(5.0) 

59

 

23.5 

Partial Pressure of Carbon Dioxide 

kPa 

0.03 

1.0 

From Barta, et al. (1999).

 

Values Controlled per Shelf: 

 

 

 

 

Air Temperature, Dark Cycle 

°C 

15 

25 

 

Air Temperature, Light Cycle 

°C 

16 

35 

 

Relative Humidity 

65 

85 

 

Air Velocity 

m/s 

0.2 

0.7 

 

Photosynthetic Photon Flux 

µmol/m²•s 

1,500 

 

Photoperiod h 

24 

 

Nutrient Solution pH 

60

 

– 3.0 

8.0 

 

Nutrient Solution Conductivity 

S/m 

< 0 

0.30 

 

Nutrient Solution Flow Rate 
/Growth Area 

L/s•m² < 

0  0.1 

 

Nutrient Solution Depth 

0.10 

0.15 

 

Shoot Zone Height 

0.35 

0.70 

 

Root Zone Depth 

0.10 

0.15 

 

The total growth area within the first BIO-Plex biomass production chamber is 79.6 m² (Castillo, 2000). 

This growing area is arranged in ten shelves stacked in three columns. The center stack contains four shelves while 
each side stack provides three shelves that conform to the chamber wall profile. Specific shelf dimensions are listed 
in Table 4.2.5. Aisles between growing area shelves are 0.508 m wide. 

                                                           

59

 

Nominally, to allow human entry into the biomass production chamber, oxygen concentration will be maintained at or 
above 18.5%. The lower listed limit will support plant respiration and thus applies if unprotected human beings will not 
enter the biomass production chamber. 

60

 

Potential of hydrogen (pH) 

background image

 

 

 

35

Table 4.2.5 

Growing Area Dimensions for the First BIO-Plex Biomass Production Chamber 

Shelf Location 

61

 

Shelf Width [m] 

Shoot Zone Height [m] 

Growth Area [m²] 

Left Shelving Stack: 

 

 

 

Shelf 1 (top) 

0.360 

0.440 

2.87 

Shelf 2 (middle) 

0.720 

0.700 

5.73 

Shelf 3 (bottom) 

0.360 

0.400 

2.87 

Center Shelving Stack: 

 

 

 

Shelf 1 (top) 

1.500 

0.500 

14.17 

Shelf 2 

1.500 

0.500 

14.17 

Shelf 3 

1.500 

0.500 

14.17 

Shelf 4 (bottom) 

1.500 

0.500 

14.17 

Right Shelving Stack: 

 

 

 

Shelf 1 (top) 

0.360 

0.440 

2.87 

Shelf 2 (middle) 

0.720 

0.700 

5.73 

Shelf 3 (bottom) 

0.360 

0.400 

2.87 

Total  

 

79.6 

4.2.2

 

Plant Values 

4.2.2.1

 

Static Values Describing Plant Growth 

Plant growth rates depend on the type of plant (species and cultivar) and the growth conditions. Table 4.2.6 

through Table 4.2.8 provide design values for candidate ALS Project crops (Behrend and Henninger, 1998). 
Table 4.2.6 lists nominal environmental conditions for each crop. Table 4.2.7 presents overall life-cycle growth rates 
in terms of grams of biomass per square meter per day. The dry mass (dw), fresh mass (fw) 

62

, and water content for 

both edible and inedible biomass are given. The harvest index is the ratio of edible biomass to total biomass. 
Table 4.2.8 provides nominal and upper biomass generation rates. The lower rate is zero. The given upper limit is 
the highest rate recorded in the literature. These may not be the absolute maximum, however. For example, wheat 
may well produce higher growth rates with higher light intensities (Bugbee, 1998). These maximal rates are 
generally for small chambers under ideal conditions, and they might be difficult to achieve in larger chambers that 
have been optimized for spaceflight. The nominal rates are derived from testing within the ALS Biomass Production 
Chamber at Kennedy Space Center (Wheeler, 2001b), and the values presented may be composite or average values 
from several different tests. These rates are lower partly because of the lower light levels, but a less homogeneous 
environment, due to the larger scale, may also impact the growth rates. Table 4.2.8 also presents the biomass 
chemical composition in terms of carbon and the metabolic reactants and products averaged over the crop life cycle. 

                                                           

61

 

Locations are defined with respect to viewing the biomass production chamber from either end. Shelf numbers are defined 
such that “1†is the top shelf, and shelves below in the same stack are numbered sequentially. From Castillo (2000). Barta, 
et al. (1999) details earlier work for the BIO-Plex biomass production chamber configuration and quotes slightly longer 
shelves for both the left and right shelving stacks. In both the earlier work and the current configuration, the center growing 
areas are identical. 

62

 

Historically, “dw†and “fw†denote â€œdry weight†and “fresh weight,†respectively. Scientifically, these quantities are 
masses and not weights. Weight is a force derived from the gravitational attraction between a body and, practically, a much 
larger body such as a planet. Accordingly, a body always has mass, but it has weight only within a planet’s gravitational 
field. 

background image

 

 

36  

 

Table 4.2.6 

Advanced Life Support Cultivars, Intended Usage, and Environmental Growth Conditions 

  Temperatures [

°

C] 

(3)

 

 

Crop 

ALS 
Transit 
Crop 

(1)

 

ALS 
Surface 
Crop 

(1)

 

Photosynthetic 
Photon Flux 
[mol/(m²•d)] 

Diurnal 
Photo-
Period 
[h/d] 

(3)

 

Growth 
Period 

63

 

[d

AP

 Air 

during 
Day 

Air 
during 
Night 

Nutrient 
Solution 

References 

Cabbage 

×

 

×

 

17 

(2)

  

85 

(4)

 

>25   

Carrot 

×

 

×

 

17 

(2)

  

75 

(4)

 

  16-18    

Chard 

×

 

×

 

17 

(2)

 16 

45 

(3)

  23 23 23 

Celery 

 

 

17 

(2)

  

75 

(4)

 

 

 

 

Dry Bean 

 

×

 

24 

(3)

 18 

85 

(5)

  28 24 26 

Green Onion 

 

 

17 

(2)

  

50 

(5)

 

 

 

 

Lettuce 

×

 

×

 

17 

(3)

 16 

28 

(3)

  23 23 23 

Mushroom 

 

 

0   

   

Onion 

×

 

×

 

17 

 50 

   

Pea 

 

 

24 

(2)

  

75 

(4)

 

 

 

 

Peanut 

 

×

 

27 

(3)

 12 

104 

(3)

  26 22 24 

Pepper 

 

 

27 

(2)

  

85 

(5)

 

 

 

 

Radish 

×

 

×

 

17 

(3)

 16 

25 

(4)

  23 23 23 

Red Beet 

 

 

17 

(3)

 16 

38 

(3)

  23 23 23 

Rice 

 

×

 

33 

(3)

 12 

85 

(3)

  28 24 24 

Snap Bean 

 

 

24 

(2)

  

85 

(5)

  28 24 26 

Soybean 

 

×

 

28 

(3)

 12 

97 

(3)

  26 22 24 

Spinach 

×

 

×

 

17 

(3)

 16 

30 

(4)

  23 23 23 

Strawberry 

 

 

22 

(3)

 12 

85 

(4)

  20 16 18 

Sweet Potato 

 

×

 

28 

(3)

 12 

85 

(5)

  26 22 24 

Tomato 

×

 

×

 

27 

(3)

 12 

85 

(3)

  24 24 24 

Wheat 

 

×

 

115 

(4)

 20-24 79 

(3)

  20 20 18 

White Potato 

 

×

 

28 

(3)

 

12 132 

20 16 18 

Information from 
Drysdale (2001) 
except as noted. 

(1)

 

Behrend and 
Henninger (1998) 

(2)

 

Estimated by 
similarity to other 
crops. 

(3)

 

Wheeler, et al. 
(2003) 

(4)

 

Wheeler (2001b) 

(5)

 

Ball, et al. (2001) 
and EDIS (2001)

 

                                                           

63

 

Growth period is measured here in terms of “days after planting,†[d

AP

]. 

background image

 

 

37  

 

Table 4.2.7 

Overall Physical Properties at Maturity for Nominal Crops 

 

 

 

 

Edible Biomass Productivity 

 

Inedible Biomass Productivity 

 

Crop 

Mature 
Plant 
Height 
[m] 

Harvest 
Index 
[%] 

 

Dry Basis 
[g

 dw 

/m²

•

d] 

Fresh 
Basis 
[g

 fw 

/m²

•

d] 

Fresh 
Basis 
Water 
Content 
[%] 

 

Dry Basis 
[g

 dw 

/m²

•

d] 

Fresh 
Basis 
[g

 fw 

/m²

•

d] 

Fresh 
Basis 
Water 
Content 
[%] References 

Cabbage 0.35 

90 

 

6.06 

(2)

 75.78  92   

0.67 6.74 90 

Carrot 0.25 

60 

 

8.98 

(2)

 74.83  88 

 

5.99 59.87 90 

Chard 0.45 

(1)

 65 

(1)

 

 

7.00 

(1)

 87.50  92   

3.77 37.69 90 

Celery 0.25 

90 

 

10.33 

(2)

 103.27 

90 

 

1.15 11.47 90 

Dry Bean 

0.50 

(1)

 40 

(1)

 

 

10.00 

(3)

 11.11  10   

15.00 150.00  90 

Green Onion 

0.25 

90 

 

9.00 

(3)

 81.82  89   

1.00 10.00 90 

Lettuce 0.25 

(1)

 90 

(1)

 

 

6.57 

(1)

 131.35 

95 

 

0.73 7.30 90 

Mushroom   90 

 

  

90 

 

  

90 

Onion 0.25 

80 

 

9.00 81.82 89  

2.25 22.50 90 

Pea 0.50 

40 

 

10.73 

(2)

 12.20  12   

16.10 161.00  90 

Peanut 0.65 

(1)

 25 

(1)

 

 

5.63 

(1)

 5.96  5.6  

16.88 168.75  90 

Pepper 0.40 

45 

 

10.43 

(3)

 148.94 

93 

 

12.74 127.43  90 

Radish 0.20 

(1)

 50 

(1)

 

 

5.50 

(3)

 91.67  94 

(3)

 

 

5.50 55.00 90 

Red Beet 

0.45 

(1)

 65 

(1)

 

 

6.50 32.50 80  

3.50 35.00 90 

Rice 0.80 

(1)

 30 

(1)

 

 

9.07 

(1)

 10.30  12   

21.16 211.58  90 

Snap Bean 

0.50 

40 

 

11.88 

(2)

 148.50 

92 

(3)

 

 

17.82 178.20  90 

Soybean 0.55 

(1)

 40 

(1)

 

 

4.54 

(1)

 5.04  10   

6.80 68.04 90 

Spinach 0.25 

(1)

 90 

(1)

 

 

6.57 

(3)

 72.97  91   

0.73 7.30 90 

Strawberry 0.25 

(1)

 35 

(1)

 

 

7.79 

(2)

 77.88  90   

14.46 144.46  90 

Sweet Potato 

0.65 

(1)

 40 

(1)

 

 

15.00 

(3)

 51.72  71   

22.50 225.00  90 

Tomato 0.40 

(1)

 45 

(1)

 

 

10.43 

(1)

 173.76 

94 

 

12.74 127.43  90 

Wheat 0.50 

(1)

 40 

(1)

 

 

20.00 

(3)

 22.73  12   

30.00 300.00  90 

White Potato 

0.65 

(1)

 70 

(1)

 

 

21.06 

(1)

 105.30 

80 

 

9.03 90.25 90 

Information from 
Drysdale (2001) 
except as noted. 

(1)

 

Wheeler, et al. 
(2003) 

(2)

 

Ball, et al. (2001) 
and EDIS (2001) 

(3)

 

Wheeler (2001b)

 

background image

 

 

38  

 

Table 4.2.8 

Nominal and Highest Biomass Production, Composition, and Metabolic Products 

 

Metabolic Reactants and Products 

 

Total Biomass 

(Edible + Inedible), 

Dry Basis 

[g

 dw

/m²

•

d] 

 

Crop 

Nominal High 

 

Carbon 

Content 

[%] 

 

Oxygen (O

2

Production 

[g/m²

•

d] 

Carbon 

Dioxide (CO

2

Uptake 

[g/m²

•

d] 

Water (H

2

O) 

Uptake / 

Transpiration

[kg/m²

•

d] 

References 

Cabbage 6.74 

10.0 

 

40 

 

7.19 9.88 1.77 

Carrot 14.97 

16.7 

 

41 

 

16.36 22.50  1.77 

Chard 10.77 

 

 

40 

 

11.49 15.79  1.77 

Celery 11.47 

 

 

40 

 

12.24 16.83  1.24 

Dry Bean 

25.00 

 

 

46 

 

30.67 42.17  2.53 

Green Onion 

10.00 

 

 

40 

 

10.67 14.67  1.74 

Lettuce 7.30 

7.9 

 

40 

(1)

 

 

7.78 10.70  1.77 

Mushroom    

 

 

 

 

 

 

Onion 11.25 

 

 

40 

 

12.00 16.50  1.74 

Pea 26.83 

 

 

40 

(3)

 

 

32.92 45.26  2.46 

Peanut 22.50 

36.0 

 

60 

(2)

 

 

35.84 49.28  2.77 

Pepper 23.17 

 

 

40 

 

24.71 33.98  2.77 

Radish 11.00 

 

 

40 

(2)

 

 

11.86 16.31  1.77 

Red Beet 

10.00 

 

 

41 

 

7.11 9.77 1.77 

Rice 30.23 

39.0 

 

45 

(2)

 

 

36.55 50.26  3.43 

Snap Bean 

29.70 

 

 

46 

 

36.43 50.09  2.46 

Soybean 11.34 

20.0 

 

46 

(1)

 

 

13.91 19.13  2.88 

Spinach 7.30 

 

 

40 

 

7.78 10.70  1.77 

Strawberry 22.25    

43 

(2)

 

 

25.32 34.82  2.22 

Sweet Potato 

37.50 

51.3 

 

41 

(2)

 

 

41.12 56.54  2.88 

Tomato 23.17 

37.8 

 

43 

(2)

 

 

26.36 36.24  2.77 

Wheat 50.00 

150.0 

 

42 

(1)

 

 

56.00 77.00 11.79 

White Potato 

30.08 

50.0 

 

41 

(1)

 

 

32.23 45.23  2.88 

Information from 
Drysdale (2001) 
except as noted. 

(1)

 

Wheeler, et al. 
(1995) 

(2)

 

Calculated 

(3)

  Orcun and Wheeler 

(2003)

 

background image

 

 

39  

 

Table 4.2.9 

Inedible Biomass Generation for Advanced Life Support Diets 

 

 

 

 

 Diet 

Using 

Only 

ALS Salad Crops 

 

Diet Using Salad and 
Carbohydrate Crops 

 Diet 

Using 

All ALS Crops 

Crop 

ALS 
Crop 

Edible 
Biomass 
[g/m²•d] 

Inedible 
Biomass 
[g/m²•d] 

 Diet 

Growing 
Area 
[m²/CM] 

Total 
Inedible 
Biomass 
[kg/CM-d] 

 Diet 

Growing 
Area 
[m²/CM] 

Total 
Inedible 
Biomass 
[kg/CM-d] 

 Diet 

Growing 
Area 
[m²/CM] 

Total 
Inedible 
Biomass 
[kg/CM-d] 

Cabbage 

×

 

75.78  6.74 

 0.256 0.002 

 0.033 0.000 

 

n/a  n/a 

Carrot 

×

 

74.83 59.87 

  0.488 0.029 

  0.535 0.032 

  0.536 0.032 

Chard 

×

 

87.50 

37.69 

 

n/a n/a  

n/a n/a  

n/a n/a 

Celery   

103.27 

11.47 

 

n/a n/a  

0.073 

0.001 

 

n/a n/a 

Dry Bean 

×

 

11.11 

150.00 

 

n/a n/a  

1.170 

0.176 

 

1.926 

0.289 

Green 

Onion 

 

81.82 10.00 

  0.055 0.001 

  0.416 0.004 

  0.276 0.003 

Lettuce 

×

 

131.35  7.30 

  0.119 0.001 

  0.160 0.001 

  0.057 0.000 

Mushroom 

 

 

 

 

n/a n/a  

TBD 

0.0013  

n/a n/a 

Onion 

×

 

81.82 

22.50 

 

n/a n/a  

n/a n/a  

n/a n/a 

Pea 

 

12.20 

161.00 

 

n/a n/a  

0.311 

0.050 

 

n/a n/a 

Peanut 

×

 

5.96 

168.75 

 

n/a n/a  

n/a n/a  

4.832 

0.815 

Pepper   

148.94 

127.43 

 

n/a n/a  

0.208 

0.027 

 

n/a n/a 

Radish 

×

 

91.67 55.00 

  0.098 0.005 

 

n/a  n/a    0.164 0.008 

Red 

Beet 

 

32.50 

35.00 

 

n/a n/a  

n/a n/a  

n/a n/a 

Rice 

×

 

10.30 

211.58 

 

n/a n/a  

n/a n/a  

2.078 

0.440 

Snap 

Bean 

 

148.50 

178.20 

 

n/a n/a  

0.067 

0.012 

 

n/a n/a 

Soybean 

×

 

5.04 

68.04 

 

n/a n/a  

n/a n/a  

46.429 

3.159 

Spinach 

×

 

72.97  7.30 

  0.066 0.000 

  0.548 0.004 

  0.635 0.005 

Strawberry 

 

77.88 

144.46 

 

n/a n/a  

n/a n/a  

n/a n/a 

Sweet Potato 

×

 

51.72 

225.00 

 

n/a n/a  

3.480 

0.783 

 

1.485 

0.334 

Tomato 

×

 

173.76 127.43 

  0.265 0.034 

  1.209 0.154 

  1.642 0.209 

Wheat 

×

 

22.73 

300.00 

 

n/a n/a  

9.679 

2.904 

 

4.237 

1.271 

White Potato 

×

 

105.30 

90.25 

 

n/a n/a  

1.614 

0.146 

 

0.994 

0.090 

Total 

   

 

 1.35 0.07 

 

19.50 4.29 

 

65.29 6.66 

background image

 

 

40  

 

Plant environmental demands differ compared to the crew’s requirements. For example, the optimum 

p(CO

2

) for plant growth is roughly 0.120 kPa (Wheeler, et al., 1993). Sensitivity may vary from species to species, 

but plants do appear to have reduced productivity at p(CO

2

) considered within the normal range for crew (up to 

about 1.0 kPa). Similarly, plants require higher relative humidity â€“ about 75% â€“ to avoid water stress and minimize 
nutrient solution usage. Such humidity levels are at the high end for crew comfort. Further, some key plants, such as 
wheat and potatoes, are most productive at temperatures below the standard crew comfort zone. Finally, some 
evidence indicates that plants might grow better under atmospheres with partial pressures of oxygen below the 
values associated with nominal conditions on Earth. However, because human beings live with plants on Earth, 
plants and crew can live in a common atmosphere. 

Table 4.2.9 enumerates growing areas and inedible biomass production associated with the ALS Project 

diets presented in Section 4.3.6. The edible biomass values are the nominal values listed above in Table 4.2.7. The 
total inedible biomass production is based on the edible biomass production and the harvest index, and does not 
include any waste associated with uneaten portions or the material removed during food preparation. 

4.2.2.2

 

Static Values to Support Plant Growth 

Table 4.2.10 presents some details about plant growth with current hydroponic technology, providing water 

and nutrient use necessary to keep the plants healthy. Luxuriant nutrient levels were provided, so lower levels of 
nutrients might also suffice. The nutrient solution shown was formulated to require only acid addition for pH 
control. However, alternative formulations might require less active pH control (and thus fewer consumables to 
maintain the pH). Finally, plant productivity varies from one cropping cycle to the next even under controlled 
conditions, so the values here should be viewed as typical. Actual productivity from any real cropping cycle might 
vary. 

Table 4.2.10 

Plant Growth and Support Requirements per Dry Biomass 

 Units 

Soybean 

Wheat 

Potato 

Lettuce 

Reference 

Water Usage per 
Dry Biomass 

L/g

 dw

 

0.32 0.13 0.15 0.34 

Stock Usage per 
Dry Biomass 

L/g

 dw

 0.026 0.021 0.022 0.034 

Acid Usage per 
Dry Biomass 

64

 

g

 acid

/g

 dw

 

0.0548 0.0744 0.0428 0.0618 

From Wheeler, et al. 
(1999). 

Table 4.2.11 and Table 4.2.12 describe the major ionic components of the nutrient solutions used for 

studies within the ALS Biomass Production Chamber at Kennedy Space Center as determined from Wheeler, et al. 
(1996) and Wheeler, et al. (1997). As indicated, the initial stock solution, which is at the desired concentration to 
support plant growth, is more dilute than the mixture of two replenishment solutions that are added incrementally, as 
necessary, to replace nutrient used by plants or otherwise lost. For this facility, replenishment solution is added in a 
fixed concentration as a function of electrical conductivity regardless of which ions are depleted. Each salt primarily 
contributes one important element, as noted. The elemental concentrations, then, are with respect to the listed 
important element. Note that because pH is controlled by adding nitric acid (HNO

3

), the nitrogen content must also 

be considered in calculating the nitrogen provided to the plants. In addition, minerals might be lost to the plants 
through uptake by microorganisms and by precipitation from solution. Nitrogen may leave nutrient solution via 
volatilization as nitrogen gas or as nitrogen oxides. Finally, to inhibit ionic build-up within the nutrient solution due 
to the procedures outlined here, especially sodium or boron, the nutrient solution is often replaced at regular 
intervals. 

                                                           

64

 

One mole of nitric acid (HNO

3

) contains 63.013 grams of solute. 

background image

 

 

41  

 

Table 4.2.11 

Composition of Initial Nutrient Solution 

 

 

 

 

   Content 

 

Initial Ionic 
Component

 

Important 

Element 

Elemental 

Atomic 
Weight 

Concentration

[meq/L]

 

65

 

Ion 

Molecular 

Weight

 

Valence

g/L 

(element)

g/L 

(ion)

 

Reference 

Nitrate, NO

3

 

–

 Nitrogen, 

14.01 

7.5 

62.00 

–1 

0.1051  0.465 

Phosphate, PO

4

 

3–

 Phosphorous,  P 

30.97 

0.5 

94.97 

–3 

0.0465  0.142 

Potassium, K 

+

 Potassium,  K 

39.10 

39.10 

+1 

0.1173  0.117 

Calcium, Ca 

2+

 Calcium, 

Ca 

40.08 

2.5 

40.08 

+2 

0.2004  0.200 

Magnesium, Mg 

2+

 Magnesium, Mg 

24.31 

24.31 

+2 

0.0486  0.049 

Sulfate, SO

4

 

2–

 Sulfur, 

32.06 

96.06 

–2 

0.0641  0.192 

Total 

 

   

  

1.166 

Wheeler, et al. (1996) 

 

Table 4.2.12 

Composition of Replenishment Nutrient Solution 

 

 

 

 

   Content 

 

Replenishment Ionic 

Component

 

Important 

Element 

Elemental 

Atomic 
Weight 

Concentration

[meq/L]

 

67

 

Ion 

Molecular 

Weight

 

Valence

g/L 

(element)

g/L 

(ion)

 

Reference 

Nitrate, NO

3

 

–

 Nitrogen, 

14.01 

75 

62.00 

–1 

1.051 

4.650 

Phosphate, PO

4

 

3–

 Phosphorous,  P 

30.97 

7.5 

94.97 

–3 

0.697 

2.137 

Potassium, K 

+

 Potassium,  K 

39.10 

68 

39.10 

+1 

2.659 

2.659 

Calcium, Ca 

2+

 Calcium, 

Ca 

40.08 

7.5 

40.08 

+2 

0.601 

0.601 

Magnesium, Mg 

2+

 Magnesium, Mg 

24.31 

9.8 

24.31 

+2 

0.476 

0.476 

Sulfate, SO

4

 

2–

 Sulfur, 

32.06 

9.8 

96.06 

–2 

0.628 

1.883 

Total 

 

   

  

12.406 

Wheeler, et al. (1997) 

 

                                                           

65

 

Here the units, [meq/L], denote milli-equivalent weights of the ionic component per liter of solution. An equivalent weight is the ion’s molecular weight divided by the 
absolute value of the ion’s valence. 

background image

 

 

42  

 

4.2.3

 

Modified Energy Cascade Models for Crop Growth 

Cavazzoni (2001) presents a package of models appropriate for use in system-level modeling. These Modified 

Energy Cascade (MEC) models build upon the earlier work of Volk, et al. (1995) and benefit from studies by Monje 
(1998), Monje and Bugbee (1998), and Jones and Cavazzoni (2000) 

66

The MEC models calculate biomass production, on a dry-mass basis, as a function of photosynthetic photo flux, 

PPF, and the atmospheric carbon dioxide concentration, [CO

2

]. 

67

  The atmospheric temperatures, one for light periods 

and a second for dark periods, and the photoperiod are constant and the plant growth is not limited by water or nutrients. 
These models accommodate daily variations in PPF and [CO

2

], but weighted values of PPF and [CO

2

] should be used to 

estimate time for canopy closure, t

A

. The models generally apply over a range of PPF from 200 to 1,000 µmol/m²

•

68

 

and a range of [CO

2

] from 330 to 1,300 Âµmol/mol. For rice and wheat, these models apply up to 2,000 Âµmol/m²

•

s. The 

PPF range for lettuce is limited to 200 to 500 µmol/m²

•

s, because a light integral of only 17 mol/m²

•

d is recommended 

to prevent leaf tip burn. See, for example, Hopper, et al. (1997), for recommended PPF requirements for crop growth. 

4.2.3.1

 

Modified Energy Cascade Models for Crop Biomass Production 

The following material outlines the top-level MEC models developed by Cavazzoni (2001) in detail. The 

various parameters depend upon the crop cultivar and growing conditions. Parameters for nominal conditions of lighting, 
temperature, and atmospheric composition are presented in Section 4.2.3.3. 

The fraction of PPF absorbed by the plant canopy, A, is a function of time, t, in terms of days after emergence 

[d

AE

], and the time for canopy closure, t

A

 [d

AE

] by the following relationship: 

A = A

MAX

n

A

t

t

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

âŽ

⎛

 

for t < t

A

 

A = A

MAX

 

for t > t

A

 Equation 

4.2-1 

where A

MAX

 is 0.93 and n is enumerated for various crops in Table 4.2.13 below. t

A

 is computed as a function of PPF and 

[CO

2

] for each crop. This function is presented below with appropriate coefficients. 

Table 4.2.13 

Values for the Exponent n in MEC Models 

Crop n 

Wheat 1.0 
Rice, Soybean, Sweet Potato 

1.5 

Dry Bean, Peanut, White Potato 

2.0 

Lettuce, Tomato 

2.5 

                                                           

66

 

Jones and Cavazzoni present the Top-Level Energy Cascade models. Though the Modified Energy Cascade equations and the 
Top-Level Energy Cascade equations share some ideas, the Top-Level Energy Cascade equations provide models for quantities 
that are input parameters for the Modified Energy Cascade equations. Further, the Modified Energy Cascade equations include 
models to compute biomass oxygen generation. 

67

 

Other environmental and physiological factors may also vary. See Cavazzoni (2001) for complete details on this model. 

68

 Photosynthetic 

photon flux (PPF) is commonly expressed in units of either Âµmol/(m²

•

s), as listed here, or mol/(m²

•

d), as 

denoted in Table 4.2.6. The units for PPF are related by the expression: 

PPF [µmol/(m²

•

s)] = PPF [mol/(m²

•

d)] 

×

 1/H 

×

 (1 h/3600 s) 

×

 (10 

6

 Âµmol/1 mol) 

 

where H is photoperiod [h/d]. See Table 4.2.27 for nominal values of H, which are designated H

O

. Because units for PPF depend 

upon the duration during which crops receive photosynthetic irradiation, the conversion to a “per day†basis depends on the 
diurnal photoperiod per day. 

background image

 

 

43  

 

The canopy quantum yield, CQY, [µmol

 Carbon Fixed

/µmol

 Absorbed PPF

] is defined by: 

CQY = CQY

MAX

 

for t < t

Q

 

CQY = CQY

MAX

 â€“ (CQY

MAX

 â€“ CQY

MIN

)

(

)

(

)

Q

M

Q

t

t

t

t

−

−

 for 

t

Q

 < t < t

M

 

Equation 4.2-2 

where t

M

 is time at crop harvest or maturity [d

AE

], and t

Q

 is the time at onset of canopy senescence [d

AE

]. t

M

 and t

Q

 are 

model constants. CQY

MAX

 is a crop-specific function of PPF and [CO

2

], as noted below, while CQY

MIN

 is a crop-specific 

constant. 

The 24-hour carbon use efficiency, CUE

24

, a fraction, is constant for most crops. In such cases, a single value is 

listed under CUE

MAX

 in the tables below. For legumes, CUE

24

 is described by: 

CUE

24

 = CUE

MAX

 

for t < t

Q

 

CUE

24

 = CUE

MAX

 â€“ (CUE

MAX

 â€“ CUE

MIN

)

(

)

(

)

Q

M

Q

t

t

t

t

−

−

 for 

t

Q

 < t < t

M

 

Equation 4.2-3 

where CUE

MAX

 and CUE

MIN

 are model inputs unique to each crop. 

The daily carbon gain, DCG, [mol

Carbon

/m²

•

d] is computed from: 

DCG = 0.0036

mol

mol

h

s

µ

 

×

 H 

×

 CUE

24

 

×

 A 

×

 CQY 

×

 PPF 

Equation 4.2-4 

where H is the photoperiod [h/d], a crop-specific model input. Photoperiod may vary daily, but see Cavazzoni (2001) for 
the assumptions involved. 

The daily oxygen production, DOP, [

2

O

mol

/m²

•

d] may be computed using: 

DOP = OPF 

×

 DCG 

Equation 4.2-5 

where OPF is the oxygen production fraction [

2

O

mol

/mol

 Carbon

], which is a crop specific parameter. 

The crop growth rate, CGR [g/m²

•

d], is related to DCG by: 

CGR = MW

C

 

BCF

DCG

 

Equation 4.2-6 

where MW

C

 is the molecular weight of carbon, 12.011 g/mol, and BCF is the biomass carbon fraction, another crop-

specific constant. 

The total crop biomass, on a dry basis, TCB [g/m²], is determined by integrating CGR, from t = 0 to the time of 

interest, such as harvest, t

M

. Or: 

TCB = 

∫

M

t

0

dt

CGR

 

Equation 4.2-7 

Total edible biomass, on a dry basis, TEB [g/m²], may be estimated by integrating the product of CGR and the 

fraction of daily carbon gain allocated to edible biomass, XFRT, from time storage organs begin to form, t

E

 [d

AE

]. Both 

XFRT and t

E

 are tabulated below: 

TEB = 

∫

M

E

t

t

dt

CGR

XFRT

 

Equation 4.2-8 

Inedible biomass is the difference between TCB and TEB. 

background image

 

 

44  

 

Table 4.2.14 

Summary of Modified Energy Cascade Model Variables for Biomass Production 

Variable Units 

Description 

Reference/Value 

-- 

fraction of PPF absorbed by the plant canopy 

Equation 4.2-1 

A

MAX

 

-- 

maximum value for A 

0.93 

BCF 

-- 

biomass carbon fraction 

Table 4.2.29 

CGR 

g/m²

•

crop growth rate 

Equation 4.2-6 

C

i

 varies 

coefficients in functions describing t

A

 and 

CQY

MAX

 

Table 4.2.16 

[CO

2

Air

CO

mol

mol

2

µ

 

atmospheric concentration of carbon dioxide; 
model variable 

none 

CQY 

PPF

.

Ab

Fixed

.

C

mol

mol

µ

µ

 

canopy quantum yield 

Equation 4.2-2 

CQY

MAX

 

PPF

.

Ab

Fixed

.

C

mol

mol

µ

µ

 

maximum value for CQY that applies until t

Q

 

 
 Equation 
4.2-9 

CQY

MIN

 

PPF

.

Ab

Fixed

.

C

mol

mol

µ

µ

 

minimum value for CQY at t

M

 Table 

4.2.15 

CUE

24

 

-- 

24-hour carbon use efficiency; a fraction 

Equation 4.2-3 

CUE

MAX

 

-- 

maximum value for CUE

24

 that applies until t

Q

 Table 

4.2.15 

CUE

MIN

 

-- 

minimum value for CUE

24

 at t

M

 Table 

4.2.15 

DCG 

mol

Carbon

/m²

•

daily carbon gain 

Equation 4.2-4 

DOP 

2

O

mol

/m²

•

daily oxygen production 

Equation 4.2-5 

H h/d 

Photoperiod 

Table 

4.2.27 

MW

C

 

g/mol 

molecular weight of carbon 

12.011 

n -- 

an 

exponent 

Table 

4.2.13 

OPF 

Carbon

O

mol

mol

2

 

oxygen production fraction 

Table 4.2.29 

PPF 

s

m

mol

2

Photon

•

µ

 

photosynthetic photon flux; model variable 

none 

TCB 

g/m² 

total crop biomass, on a dry basis 

Equation 4.2-7 

TEB 

g/m² 

total edible biomass, on a dry basis 

Equation 4.2-8 

t d

AE

 time; 

model 

variable 

none 

t

A

 

d

AE

 

time until canopy closure 

 
 Equation 
4.2-17 

t

E

 

d

AE

 

time at onset of organ formation 

Table 4.2.28 

t

M

 

d

AE

 

time at harvest or crop maturity 

Table 4.2.28 

t

Q

 

d

AE

 

time until onset of canopy senescence 

Table 4.2.28 

XFRT -- 

fraction of daily carbon gain allocated to edible 
biomass after t

E

  

Table 4.2.28 

background image

 

 

45  

 

The environmentally dependent parameters for these models are provided in the sections below. The MEC 

variables for biomass production models are summarized in Table 4.2.14. General model constants, which depend only 
on the crop cultivar and not on environmental conditions, are listed in Table 4.2.15. 

Table 4.2.15 

Biomass Production Model Constants

 

69

 

Crop Specific 

Cultivar 

CQY

MIN

 

[µmol

C Fixed

 

/µmol

Ab. PPF

CUE

MAX

 CUE

MIN

 

Dry Bean 

Meso Amer. Hab. 1 â€“ Determinate 

0.02 0.65 0.50 

70

 

Lettuce 

Waldmann’s Green 

n/a 0.625 

n/a 

Peanut 

Pronto 

0.02 0.65 0.30 

Rice 

Early maturing types 

0.01 0.64 

n/a 

Soybean 

Hoyt 

0.02 0.65 0.30 

Sweet Potato 

TU-82-155 (Tuskegee University) 

n/a 0.625 

n/a 

Tomato 

Reinmann Philippe 75/59 

0.01 0.65 

n/a 

Wheat 

Veery 10 

0.01 0.64 

n/a 

White Potato 

Norland or Denali 

0.02 0.625 

n/a 

Based on multivariable polynomial regression (MPR), the functions for maximum canopy quantum yield, 

CQY

MAX

 [µmol

 Carbon Fixed

/µmol

 Absorbed PPF

], have the general form: 

CQY

 MAX

 ( PPF, [CO

2

] )  =  C

 1

 

PPF

1

]

CO

[

1

2

  +  C

 2

 

PPF

1

  +  C

 3

 

PPF

]

CO

[

2

  +  C

 4

 

PPF

]

CO

[

2

2

  + 

  C

 5

 

PPF

]

CO

[

3

2

  +  C

 6

 

]

CO

[

1

2

  +  Constant  +  C

 8

 [CO

2

]  +  C

 9

 [CO

2

]

 2

  +  C

 10

 [CO

2

]

 3

  +  

 C

 11

 

]

CO

[

PPF

2

  +  C

 12

 PPF  +  C

 13

 PPF [CO

2

]  +  C

 14

 PPF [CO

2

]

 2

  +  C

 15

 PPF [CO

2

]

 3

  +  

 C

 16

 

]

CO

[

PPF

2

2

  +  C

 17

 PPF

 2

  +  C

 18

 PPF

 2

 [CO

2

]  +  C

 19

 PPF

 2

 [CO

2

]

 2

  +  C

 20

 PPF

 2

 [CO

2

]

 3

  +  

 C

 21

 

]

CO

[

PPF

2

3

  +  C

 22

 PPF

 3

  +  C

 23

 PPF

 3

 [CO

2

]  +  C

 24

 PPF

 3

 [CO

2

]

 2

  +  C

 25

 PPF

 3

 [CO

2

]

 3

  

 

Equation 4.2-9 

where C

1

 through C

25

 again denote coefficients. PPF is designated in [µmol/m²

•

s], while [CO

2

] is measured in 

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡µ

Air

CO

mol

mol

2

. To simplify the presentation of these functions, Table 4.2.17 through Table 4.2.25 present the coefficient 

values for each crop in a matrix of the form presented in Table 4.2.16. 

                                                           

69

 

The parameters in this table apply independent of temperature regime, photoperiod, or planting density. 

70

 

This suggested value is based on Wheeler (2001a) whereby growth costs are less for dry bean than for soybean and peanut. 

background image

 

 

46  

 

Table 4.2.16 

Format for Tables of Coefficients for Equations Employing MPR Fits 

 

1/PPF 1  PPF PPF

 2

 PPF

 3

 

1/[CO

2

1/PPF 

×

 1/[CO

2

or C

 1

 

1/[CO

2

or C

 6

 

PPF/[CO

2

or C

 11

 

PPF

 2

/[CO

2

or C

 16

 

PPF

 3

/[CO

2

or C

 21

 

1/PPF 

or C

 2

 

Constant Term 

PPF 

or C

 12

 

PPF

 2

 

or C

 17

 

PPF

 3

 

or C

 22

 

[CO

2

[CO

2

]/PPF 

or C

 3

 

[CO

2

or C

 8

 

PPF [CO

2

or C

 13

 

PPF

 2

 [CO

2

or C

 18

 

PPF

 3

 [CO

2

or C

 23

 

[CO

2

]

 2

 

[CO

2

]

 2

/PPF 

or C

 4

 

[CO

2

]

 2

 

or C

 9

 

PPF [CO

2

]

 2

 

or C

 14

 

PPF

 2

 [CO

2

]

 2

 

or C

 19

 

PPF

 3

 [CO

2

]

 2

 

or C

 24

 

[CO

2

]

 3

 

[CO

2

]

 3

/PPF 

or C

 5

 

[CO

2

]

 3

 

or C

 10

 

PPF [CO

2

]

 3

 

or C

 15

 

PPF

 2

 [CO

2

]

 3

 

or C

 20

 

PPF

 3

 [CO

2

]

 3

 

or C

 25

 

The coefficients for CQY

MAX

 are independent of photoperiod and planting density and are only a weak function 

of temperature regime. Consequently, for life-support crop-growth scenarios, the CQY

MAX

 coefficients are essentially 

functions of the crop cultivar alone. See Cavazzoni (2001) for applicability under extreme temperature ranges. 

Table 4.2.17 

Maximum Canopy Quantum Yield, CQY

 MAX

, Coefficients for Dry Bean 

 

1/PPF 1  PPF PPF

 2

 PPF

 3

 

1/[CO

2

0 0 0 0 0 

4.191 

×

 10

-2

 -1.238 

×

 10

-5

 

0 0 

[CO

2

5.3852 

×

 10

-5

 

-1.544 

×

 10

-11

 

[CO

2

]

 2

 

-2.1275 

×

 10

-8

 

6.469 

×

 10

-15

 

[CO

2

]

 3

 

0 0 0 0 0 

Table 4.2.18 

Maximum Canopy Quantum Yield, CQY

 MAX

, Coefficients for Lettuce 

 

1/PPF 1  PPF PPF

 2

 PPF

 3

 

1/[CO

2

0 0 0 0 0 

4.4763 

×

 10

-2

 -1.1701 

×

 10

-5

 

0 0 

[CO

2

5.163 

×

 10

-5

 

-1.9731 

×

 10

-11

 

[CO

2

]

 2

 

-2.075 

×

 10

-8

 

8.9265 

×

 10

-15

 

[CO

2

]

 3

 

0 0 0 0 0 

Table 4.2.19 

Maximum Canopy Quantum Yield, CQY

 MAX

, Coefficients for Peanut 

 

1/PPF 1  PPF PPF

 2

 PPF

 3

 

1/[CO

2

0 0 0 0 0 

4.1513 

×

 10

-2

 

-2.1582 

×

 10

-8

 

[CO

2

5.1157 

×

 10

-5

 4.0864 

×

 10

-8

 -1.0468 

×

 10

-10

 4.8541 

×

 10

-14

 

[CO

2

]

 2

 

-2.0992 

×

 10

-8

 

0 0 0 

[CO

2

]

 3

 

0 0 0 0 

3.9259 

×

 10

-21

 

background image

 

 

47  

 

Table 4.2.20 

Maximum Canopy Quantum Yield, CQY

 MAX

, Coefficients for Rice 

 

1/PPF 1  PPF PPF

 2

 PPF

 3

 

1/[CO

2

0 0 0 0 0 

3.6186 

×

 10

-2

 

-2.6712 

×

 10

-9

 

[CO

2

6.1457 

×

 10

-5

 -9.1477 

×

 10

-9

 

0 0 

[CO

2

]

 2

 

-2.4322 

×

 10

-8

 3.889 

×

 10

-12

 

0 0 

[CO

2

]

 3

 

0 0 0 0 0 

Table 4.2.21 

Maximum Canopy Quantum Yield, CQY

 MAX

, Coefficients for Soybean 

 

1/PPF 1  PPF PPF

 2

 PPF

 3

 

1/[CO

2

0 0 0 0 0 

4.1513 

×

 10

-2

 

-2.1582 

×

 10

-8

 

[CO

2

5.1157 

×

 10

-5

 4.0864 

×

 10

-8

 -1.0468 

×

 10

-10

 4.8541 

×

 10

-14

 

[CO

2

]

 2

 

-2.0992 

×

 10

-8

 

0 0 0 

[CO

2

]

 3

 

0 0 0 0 

3.9259 

×

 10

-21

 

Note: The function for soybean here is identical to the function for peanut. 

Table 4.2.22 

Maximum Canopy Quantum Yield, CQY

 MAX

, Coefficients for Sweet Potato 

 

1/PPF 1  PPF PPF

 2

 PPF

 3

 

1/[CO

2

0 0 0 0 0 

3.9317 

×

 10

-2

 -1.3836 

×

 10

-5

 

0 0 

[CO

2

5.6741 

×

 10

-5

 -6.3397 

×

 10

-9

 -1.3464 

×

 10

-11

 

[CO

2

]

 2

 

-2.1797 

×

 10

-8

 

7.7362 

×

 10

-15

 

[CO

2

]

 3

 

0 0 0 0 0 

Table 4.2.23 

Maximum Canopy Quantum Yield, CQY

 MAX

, Coefficients for Tomato 

 

1/PPF 1  PPF PPF

 2

 PPF

 3

 

1/[CO

2

0 0 0 0 0 

4.0061 

×

 10

-2

 

-7.1241 

×

 10

-9

 

[CO

2

5.688 

×

 10

-5

 -1.182 

×

 10

-8

 

0 0 

[CO

2

]

 2

 

-2.2598 

×

 10

-8

 5.0264 

×

 10

-12

 

0 0 

[CO

2

]

 3

 

0 0 0 0 0 

Table 4.2.24 

Maximum Canopy Quantum Yield, CQY

 MAX

, Coefficients for Wheat 

 

1/PPF 1  PPF PPF

 2

 PPF

 3

 

1/[CO

2

0 0 0 0 0 

4.4793 

×

 10

-2

 -5.1946 

×

 10

-6

 

0 0 

[CO

2

5.1583 

×

 10

-5

 

-4.9303 

×

 10

-12

 

[CO

2

]

 2

 

-2.0724 

×

 10

-8

 

2.2255 

×

 10

-15

 

[CO

2

]

 3

 

0 0 0 0 0 

background image

 

 

48  

 

Table 4.2.25 

Maximum Canopy Quantum Yield, CQY

 MAX

, Coefficients for White Potato 

 

1/PPF 1  PPF PPF

 2

 PPF

 3

 

1/[CO

2

0 0 0 0 0 

4.6929 

×

 10

-2

 

0 0 

-1.9602 

×

 10

-11

 

[CO

2

5.0910 

×

 10

-5

 

-1.5272 

×

 10

-11

 

[CO

2

]

 2

 

-2.1878 

×

 10

-8

 

0 0 0 

[CO

2

]

 3

 

0 0 

4.3976 

×

 10

-15

 

0 0 

4.2.3.2

 

Modified Energy Cascade Models for Crop Transpiration 

Following the approach in Section 4.2.3.1 for biomass production, this section focuses on a similar model to 

predict crop canopy transpiration. In fact, the crop transpiration model employs many of the parameters computed by the 
algorithm above. The model in this section was adapted from Monje (1998). 

The vapor pressure deficit, VPD [kPa], is the difference between the saturated vapor pressure for air at the mean 

atmospheric temperature, VP

SAT

 [kPa], and the actual vapor pressure for the atmosphere, VP

AIR

 [kPa]. Or: 

VP

SAT

 = 0.611 

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

+

239

T

T

4

.

17

LIGHT

LIGHT

e

 

VP

AIR

 = VP

SAT

 

×

 RH 

VPD = VP

SAT

 - VP

AIR

  

Equation 4.2-10 

where T

LIGHT

 [

°

C] is the mean atmospheric temperature during the crop’s light cycle and RH is the mean atmospheric 

relative humidity as a fraction bounded between 0 and 1, inclusive. Calculation of VP

SAT

 assumes that the temperature of 

the canopy leaves, from which transpiration originates, is equal to the mean light-cycle air temperature, T

LIGHT

The gross canopy photosynthesis, P

GROSS

 [µmol

Carbon

/m²

•

s], may be expressed in terms of previously defined 

values as: 

P

GROSS

 = A 

×

 CQY 

×

 PPF 

Equation 4.2-11 

The net canopy photosynthesis, P

NET

 [µmol

Carbon

/m²

•

s], may be expressed as: 

P

NET

 = 

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

×

+

−

PG

24

PG

PG

D

CUE

H

D

H

D

 P

GROSS

 

Equation 4.2-12 

where D

PG

 [h/d] is the length of the plant growth chamber’s diurnal cycle. During development of these models, 

Cavazzoni (2001) assumed a value of 24.0 h/d for D

PG

, which is consistent with ground-based data gathered to date. 

The canopy surface conductance, g

C

 [mol

Water

/m²

•

s], is based on the canopy stomatal conductance, g

S

 

[mol

Water

/m²

•

s], and the atmospheric aerodynamic conductance, g

A

 [mol

Water

/m²

•

s]. 

g

C

 = 

S

A

S

A

g

g

g

g

+

×

 

Equation 4.2-13 

background image

 

 

49  

 

The following models for g

S

 and values for g

A

 were derived from the experimental conditions studied by Monje 

(1998). 

Table 4.2.26 

Summary of Modified Energy Cascade Model Variables for Canopy Transpiration 

Variable Units 

Description 

Reference/Value 

-- 

fraction of PPF absorbed by the plant canopy 

Equation 4.2-1 

[CO

2

Air

CO

mol

mol

2

µ

 

atmospheric concentration of carbon dioxide; 
model variable 

none 

CQY 

Photon

Carbon

mol

mol

µ

µ

 

canopy quantum yield 

Equation 4.2-2 

CUE

24

 

-- 

24-hour carbon use efficiency; a fraction 

Equation 4.2-3 

D

PG

 

h/d 

plant growth diurnal cycle 

24 

71

 

DTR 

L

Water

/m²

•

daily canopy transpiration rate 

Equation 4.2-16 

g

A

 

mol

Water

/m²

•

atmospheric aerodynamic conductance 

Equation 4.2-14 
and 
Equation 4.2-15 

g

C

 

mol

Water

/m²

•

canopy surface conductance 

Equation 4.2-13 

g

S

 

mol

Water

/m²

•

canopy stomatal conductance 

Equation 4.2-14 
and 
Equation 4.2-15 

H h/d 

photoperiod; 

model 

variable 

none 

72

 

H

O

 h/d 

nominal 

photoperiod 

Table 

4.2.27 

MW

W

 

g/mol 

molecular weight of water 

18.015 

P

ATM

 

kPa 

total atmospheric pressure; model variable 

none 

P

GROSS

 

s

m

mol

2

Carbon

•

µ

 

gross canopy photosynthesis 

Equation 4.2-11 

P

NET

 

s

m

mol

2

Carbon

•

µ

 

net canopy photosynthesis 

Equation 4.2-12 

PPF 

s

m

mol

2

Photon

•

µ

 

photosynthetic photon flux; model variable 

none 

PPF

E

 

s

m

mol

2

Photon

•

µ

 

effective photosynthetic photon flux 

Equation 4.2-18 

RH 

-- 

atmospheric relative humidity; model variable 

none 

T

LIGHT 

°

atmospheric temperature during crop’s light cycle 

Table 4.2.27 

VP

AIR

 

kPa 

actual moisture vapor pressure 

Equation 4.2-10 

VP

SAT

 

kPa 

saturated moisture vapor pressure 

Equation 4.2-10 

VPD 

kPa 

vapor pressure deficit 

Equation 4.2-10 

Ï

W

 

g/L density 

of 

water 

998.23 

                                                           

71

 

This value applies to data used to date from terrestrial test facilities. More generally, it’s the length of a local sol. 

72

 

For the nominal case, assume the photoperiod, H, equals the nominal photoperiod, H

O

, which is listed in Table 4.2.27. 

background image

 

 

50  

 

With planophile-type canopies, such as for dry bean, lettuce, peanut, soybean, sweet potato, tomato, and white 

potato, g

S

 and g

A

 are computed as: 

g

S

 = 

(

)

[

]

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

âŽ

⎛

−

−

2

NET

LIGHT

CO

P

VPD

54

.

10

96

.

19

T

717

.

1

 

g

A

 = 2.5 

Equation 4.2-14 

With erectophile canopies, such as for rice and wheat, g

S

 and g

A

 have the form: 

g

S

 = 

[

]

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

âŽ

⎛

+

2

NET

CO

P

RH

32

.

15

1389

.

0

 

g

A

 = 5.5 

Equation 4.2-15 

The daily canopy transpiration rate, DTR [L

 Water

/m²

•

d], is: 

DTR = 3600

h

s

 H 

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

âŽ

⎛

Ï

W

W

MW

 g

C

 

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

âŽ

⎛

ATM

P

VPD

 

Equation 4.2-16 

where P

ATM

 [kPa] is the total atmospheric pressure, MW

W

 is the molecular weight of water, 18.015 g/mol, and 

Ï

W

 is the 

density of water, 998.23 g/L at 20 

°

C. 

The parameters for the transpiration model are provided in the sections below and the variables are summarized 

in Table 4.2.26 

4.2.3.3

 

Modified Energy Cascade Model Constants for Nominal Temperature Regimes and Photoperiods 

For nominal temperature regimes and photoperiods, MEC model constants are provided here for the parameters 

in Section 4.2.3.1 and Section 4.2.3.2. 

Note: Some values in Table 4.2.27 differ from the corresponding values listed in Table 4.2.6. 

Table 4.2.27 

Nominal Temperature Regimes, Planting Densities, and Photoperiods 

for the Plant Growth and Transpiration Models 

Crop 

Nominal 
Photoperiod 
H

O

 

[h/d] 

Planting 
Density 

73

 

[plants/m²] 

Light Cycle 
Temperature, 
T

LIGHT

 

[

°

C] 

Dark Cycle 
Temperature,  
T

DARK

 

74

 

[

°

C] 

Dry 

Bean 12  7 26 22 

Lettuce 16 

19.2 

23 

23 

Peanut  12  7 26 22 
Rice 

12 200 29 21 

Soybean  12 35 26 22 
Sweet 

Potato 

18 16 28 22 

Tomato 12 6.3 

26 22 

Wheat  20 720 23 23 
White Potato 

12 

6.4 

20 

16 

                                                           

73

 

Planting density affects the time to canopy closure, t

A

, even though an explicit functionality is not apparent. 

74

 

The MEC models do not explicitly use the dark cycle temperature, but because the dark cycle temperature affects a crop’s 
development, these values are assumed implicitly for this set of parameters. 

background image

 

 

51  

 

Table 4.2.28 

Biomass Production Model Time Constants for Nominal Temperature Regime and Photoperiod 

Crop 

Fraction of 
Edible Biomass 
After t

E

 

XFRT 

Time at Onset of 
Edible Biomass 
Formation, t

E

 

[d

AE

Time at Onset 
of Canopy 
Senescence, t

Q

 

[d

AE

Time at 
Harvest, 
t

M

 

[d

AE

Dry Bean 

0.97 

40 

42 

63 

Lettuce 0.95 

n/a 

75

 

30 

Peanut 0.49  49 

65 110 

Rice 0.98 57  61 88 
Soybean 0.95 

46 

48 

86 

Sweet Potato 

1.00 

33 

n/a 

77

 120 

Tomato 0.70  41 

56  80 

Wheat 1.00  34  33  62 
White Potato 

1.00 

45 

75 

138 

76

 

Table 4.2.29 

Biomass Carbon and Oxygen Production Fractions for Nominal Temperature Regime 

and Photoperiod 

Crop 

Biomass Carbon 
Fraction, 
BCF 

Oxygen Production 
Fraction 
[mol O

2

/mol C] 

 

Crop 

Biomass Carbon 
Fraction, 
BCF 

Oxygen Production 
Fraction 
[mol O

2

/mol C] 

Dry Bean 

0.45 

1.10 

 

Sweet Potato 

0.44 

1.02 

Lettuce 0.40 

1.08 

 

Tomato  0.42 

1.09 

Peanut 0.50 

1.19   

Wheat  0.44 

1.07 

Rice 0.44 

1.08  

White 

Potato 

0.41 

1.02 

Soybean 0.46 

1.16 

 

 

 

 

The functions for the canopy closure time, t

A

 [d

AE

], have the general form: 

t

A

 ( PPF

E

, [CO

2

] )  =  C

 1

 

E

PPF

1

]

CO

[

1

2

  +  C

 2

 

E

PPF

1

  +  C

 3

 

E

2

PPF

]

CO

[

  +  C

 4

 

E

2

2

PPF

]

CO

[

  +  C

 5

 

E

3

2

PPF

]

CO

[

  

 +  C

 6

 

]

CO

[

1

2

  +  Constant  +  C

 8

 [CO

2

]  +  C

 9

 [CO

2

]

 2

  +  C

 10

 [CO

2

]

 3

  +  C

 11

 

]

CO

[

PPF

2

E

   

+  C

 12

 PPF

E

  +  C

 13

 PPF

E

 [CO

2

]  +  C

 14

 PPF

E

 [CO

2

]

 2

  +  C

 15

 PPF

E

 [CO

2

]

 3

  +  C

 16

 

]

CO

[

PPF

2

2

E

   

+  C

 17

 PPF

E

 2

  +  C

 18

 PPF

E

 2

 [CO

2

]  +  C

 19

 PPF

E

 2

 [CO

2

]

 2

  +  C

 20

 PPF

E

 2

 [CO

2

]

 3

  +  C

 21

 

]

CO

[

PPF

2

3

E

  

 +  C

 22

 PPF

E

 3

  +  C

 23

 PPF

E

 3

 [CO

2

]  +  C

 24

 PPF

E

 3

 [CO

2

]

 2

  +  C

 25

 PPF

E

 3

 [CO

2

]

 3

    

Equation 4.2-17 

where C

1

 through C

25

 denote coefficients. PPF

E

 is expressed in [µmol/m²

•

s], while [CO

2

] is measured in 

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡µ

Air

CO

mol

mol

2

To simplify the presentation of these functions, Table 4.2.30 through Table 4.2.38 present the coefficient values for each 
crop in a matrix using the form of Table 4.2.16 above. 

                                                           

75

 

This crop is harvested before the canopy reaches senescence. 

76

 

White potato plants are harvested at t = 105 d

AE

, but t

M

 = 138 d

AE

 is used for the models. 

background image

 

 

52  

 

The effective photosynthetic photon flux, PPF

E

 [µmol/m²

•

s], (Rodriguez and Bell, 2004) is: 

PPF

E

 = PPF 

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

âŽ

⎛

O

H

H

 

Equation 4.2-18 

where values for nominal photoperiod, H

O

 [h/d], are tabulated in Table 4.2.27. 

Table 4.2.30 

Canopy Closure Time, t

A

, Coefficients for Dry Bean with Nominal Conditions 

 

1/PPF

E

 1  PPF

E

 PPF

E

 2

 PPF

E

 3

 

1/[CO

2

2.9041 

×

 10

 5

 

0 0 0 0 

1.5594 

×

 10

 3

 

15.840 

6.1120 

×

 10

 â€“3

 

0 0 

[CO

2

0 0 0 

- 3.7409 

×

 10

 -9

 

[CO

2

]

 2

 

0 0 0 0 0 

[CO

2

]

 3

 

0 0 0 0 

9.6484 

×

 10

 â€“19

 

Table 4.2.31 

Canopy Closure Time, t

A

, Coefficients for Lettuce with Nominal Conditions 

 

1/PPF

E

 1  PPF

E

 PPF

E

 2

 PPF

E

 3

 

1/[CO

2

0 0 

1.8760 

0 0 

1.0289 

×

 10

 4

 

1.7571 

0 0 0 

[CO

2

3.7018 

0 0 0 0 

[CO

2

]

 2

 

2.3127 

×

 10

 -6

 

0 0 0 

[CO

2

]

 3

 

3.6648 

×

 10

 -7

 

0 0 0 0 

Table 4.2.32 

Canopy Closure Time, t

A

, Coefficients for Peanut with Nominal Conditions 

 

1/PPF

E

 1  PPF

E

 PPF

E

 2

 PPF

E

 3

 

1/[CO

2

3.7487 

×

 10

 6

 - 

1.8840 

×

 10

 4

 

51.256 - 

0.05963 

2.5969 

×

 10

 -5

 

2.9200 

×

 10

 3

 

23.912 0 

5.5180 

×

 10

 â€“6

 

[CO

2

0 0 0 0 0 

[CO

2

]

 2

 

0 0 0 0 0 

[CO

2

]

 3

 

9.4008 

×

 10

 â€“8

 

0 0 0 0 

Table 4.2.33 

Canopy Closure Time, t

A

, Coefficients for Rice with Nominal Conditions 

 

1/PPF

E

 1  PPF

E

 PPF

E

 2

 PPF

E

 3

 

1/[CO

2

6.5914 

×

 10

 6

 - 

3.748 

×

 10

 3

 

0 0 0 

2.5776 

×

 10

 4

 

0 0 

4.5207 

×

 10

 â€“6

 

[CO

2

0 - 

0.043378 

4.562 

×

 10

 â€“5

 - 

1.4936 

×

 10

 â€“8

 

[CO

2

]

 2

 

6.4532 

×

 10

 â€“3

 

0 0 0 0 

[CO

2

]

 3

 

0 0 0 0 0 

background image

 

 

53  

 

Table 4.2.34 

Canopy Closure Time, t

A

, Coefficients for Soybean with Nominal Conditions 

 

1/PPF

E

 1  PPF

E

 PPF

E

 2

 PPF

E

 3

 

1/[CO

2

6.7978 

×

 10

 6

 - 

4.326 

×

 10

 4

 

112.63 - 

0.13637 

6.6918 

×

 10

 â€“5

 

- 4.3658 

×

 10

 3

 

33.959 0 

- 2.1367 

×

 10

 â€“8

 

[CO

2

1.5573 

0 0 0 

1.5467 

×

 10

 â€“11

 

[CO

2

]

 2

 

0 0 

- 4.911 

×

 10

 â€“9

 

0 0 

[CO

2

]

 3

 

0 0 0 0 0 

Table 4.2.35 

Canopy Closure Time, t

A

, Coefficients for Sweet Potato with Nominal Conditions 

 

1/PPF

E

 1  PPF

E

 PPF

E

 2

 PPF

E

 3

 

1/[CO

2

1.2070 

×

 10

 6

 

0 0 0 

4.0109 

×

 10

 â€“7

 

4.9484 

×

 10

 3

 

4.2978 

0 0 0 

[CO

2

0 0 0 0 

2.0193 

×

 10

 â€“12

 

[CO

2

]

 2

 

0 0 0 0 0 

[CO

2

]

 3

 

0 0 0 0 0 

Table 4.2.36 

Canopy Closure Time, t

A

, Coefficients for Tomato with Nominal Conditions 

 

1/PPF

E

 1  PPF

E

 PPF

E

 2

 PPF

E

 3

 

1/[CO

2

6.2774 

×

 10

 5

 

0 0.44686 

0  0 

3.1724 

×

 10

 3

 

24.281 

5.6276 

×

 10

 -3

 - 

3.0690 

×

 10

 â€“6

 

[CO

2

0 0 0 0 0 

[CO

2

]

 2

 

0 0 0 0 0 

[CO

2

]

 3

 

0 0 0 0 0 

Table 4.2.37 

Canopy Closure Time, t

A

, Coefficients for Wheat with Nominal Conditions 

 

1/PPF

E

 1  PPF

E

 PPF

E

 2

 PPF

E

 3

 

1/[CO

2

9.5488 

×

 10

 4

 

0 0.3419 

- 1.9076 

×

 10

 â€“4

 

1.0686 

×

 10

 3

 

15.977 

1.9733 

×

 10

 â€“4

 

0 0 

[CO

2

0 0 0 0 0 

[CO

2

]

 2

 

0 0 0 0 0 

[CO

2

]

 3

 

0 0 0 0 0 

Table 4.2.38 

Canopy Closure Time, t

A

, Coefficients for White Potato with Nominal Conditions 

 

1/PPF

E

 1  PPF

E

 PPF

E

 2

 PPF

E

 3

 

1/[CO

2

6.5773 

×

 10

 5

 

0 0 0 0 

8.5626 

×

 10

 3

 

0 0.042749 

- 1.7905 

×

 10

 â€“5

 

[CO

2

0 0 

8.8437 

×

 10

 â€“7

 

0 0 

[CO

2

]

 2

 

0 0 0 0 0 

[CO

2

]

 3

 

0 0 0 0 0 

background image

 

 

54  

 

For certain crops under low-lighting conditions, the relationships above for t

A

 and A

MAX

 require modification. 

Physically, the canopy does not close under low light, so A

MAX

 does not reach 0.93, for the nominal photoperiod and 

planting densities listed in Table 4.2.27. Consequently, to use the models above under such conditions and obtain 
reasonably accurate results, modified values for the time at canopy closure, t

A

, and the maximum fraction of PPF 

absorbed by the plant canopy, A

MAX

, are required. Table 4.2.39 provides modified values for the conditions listed, where 

t

A

 is the time until the listed A

MAX

 is attained. The nominal photoperiods and planting densities associated with these 

values are also given for reference, and they are consistent with values provided in Table 4.2.27 above. 

Table 4.2.39 

MEC Model Parameters for Low-Light Conditions, Nominal Temperature Regimes 

Crop 

Photo-
period 
[h/d] 

Planting 
Density 
[plants/m²] 

PPF 
[µmol/m²

•

s] 

[CO

2

[µmol/mol] 

t

A

 

[d

AE

] A

MAX

 

330 32 

0.18 

660 32 

0.35 

990 32 

0.46 

200 

1,320 32 

0.49 

Lettuce 

16 19.2 

300 330 

32 

0.75 

330 45 

0.13 

660 45 

0.21 

990 45 

0.26 

200 

1,320 45 

0.28 

330 50 

0.33 

660 50 

0.50 

990 50 

0.59 

300 

1,320 50 

0.62 

330 50 

0.57 

660 50 

0.75 

990 50 

0.82 

Rice 

12 200 

400 

1,320 50 

0.83 

330 30 

0.58 

660 30 

0.76 

990 30 

0.84 

200 

1,320 30 

0.86 

Sweet 
Potato 

18 16 

300 330 

31 

0.90 

330 36 

0.34 

660 38 

0.49 

990 38 

0.58 

200 

1,320 39 

0.60 

330 40 

0.80 

White 
Potato 

12 6.4 

300 

660 42 

0.90 

MEC model constants for additional temperature regimes are reported in Cavazzoni (2001). 

background image

 

 

55  

 

4.3

 

Food Subsystem 

Food, though historically omitted from life support analysis, has significant impacts on closure and the cost of 

crew support. In particular, food, if grown on-site, can regenerate some or all of the crew’s air and water. If more than 
about 25% of the food, by dry mass, is produced locally, all the required water can be regenerated by the same process. If 
approximately 50% or more of the food, by dry mass, is produced on site, all the required air can be regenerated by the 
same process (Drysdale, et al., 1997).  

The former value depends on the crop and growth conditions. The latter number, however, depends on the 

cropping scenario and the overall harvest index. 

4.3.1

 

Physical Parameters for Historical Food Flight Systems 

The crew food energy requirement will depend on the crew itself, its lean body mass in particular, and the 

amount of physical work it performs. Extravehicular activity (EVA), for example, requires additional food energy 
compared with crews conducting only intravehicular activities (IVA) because more physical work is typically associated 
with an EVA. Unless specified otherwise, this document assumes an average body mass of 70 kg, and an intravehicular 
metabolic requirement of 11.82 MJ/CM-d, which are consistent with Duffield (2003) and derived from NASA (1991). 

The mass of food required depends heavily on the lipid content and the degree of hydration. A 30 % lipid 

content, by metabolic energy, is generally recommended though much lower levels of lipids have been suggested by 
some sources. Degree of hydration is largely a function of the type of food, and the method of processing and storage. 
Fresh foods can have as much as 99 % water content, by mass, while dehydrated foods have as little as 3 % moisture. 

Food quality is not specifically discussed here, because this topic is addressed when the Food Subsystem is 

designed. However, food quality can have a tremendous impact on crew morale and the success of a long-duration 
mission. The mass of food also depends on food quality. For example, a greater mass of protein is required if it is of 
inferior quality. Digestibility will also vary, being lowest for vegetarian diets. As noted above, these factors are currently 
beyond the scope of this discussion. 

Besides the mass of food itself, food requires packaging and/or appropriate containment to protect it from 

degradation and contamination. Packaging includes wrapping and/or boxes around the food itself, such as for individual 
servings. Appropriate containment describes stowage, such as food lockers, provision of a suitable atmosphere, 
temperature, and other environmental conditions, such as freezers for some foods, and secondary structure to house the 
stowage and environmentally conditioned chambers. Section 3.2.2 provides estimates for supporting secondary structure 
with the Food Subsystem. Analysis of Table 4.3.1, which presents estimates of associated food packaging masses from 
historical systems, indicates that an additional ~15 % mass penalty, based on fresh food mass, is appropriate for 
individually packaged meals. Note the values presented in Table 4.3.1 are historical or predicted averages for indicated 
programs and, therefore, may or may not provide 11.82 MJ/CM-d of metabolic energy. 

For a food system based on the Shuttle Training Menu, as detailed above, Levri (2002) lists the properties of the 

rehydration apparatus and conduction oven collectively as 36.3 kg occupying 0.094 m³ based on the Shuttle galley. 
During use, the rehydration apparatus consumes up to 0.540 kW to heat water. The conduction oven, when operational, 
consumes up to 0.360 kW for heaters and 0.060 kW for fans. Thus, the maximum total power load for the galley is 
0.960 kW during operation. 

Perchonok, et al. (2002) reports a loaded ISS food container for Phase II averages 5.5 kg each and contains nine 

meals plus snacks. This is equivalent to a single day’s food for three ISS crewmembers. This is equivalent, on average, to 
0.611 kg/meal, assuming snacks are extensions of the standard meals, or 1.83 kg/CM-d. Individual food container 
masses vary according to individual crew entrée preferences and nutritional requirements, and the containers themselves 
are placed in racks, incurring a secondary structure penalty not included in the masses above. 

background image

 

 

56  

 

Table 4.3.1 

Historical and Near-Term Food Subsystem Masses 

Parameter 

Mass 
[kg/CM-d] 

Volume 
[m³/CM-d] Comments 

Water 
Content 
[%] 

References 

IVA Food, dw 

0.67

 (1)

  

Reference 

Value 

0

 (1)

 

Space Transportation Food System 

 

 

STS Food 

77

 

0.66

 (2)

 

 

Food Dehydrated, 
11.82 MJ/CM-d 

0

 (2)

 

 1.147

 (2)

 

 

Food As-Shipped, 
No Packaging, 
11.82 MJ/CM-d 

42

 (2)

 

 0.26

 (2)

 

 

Packaging Alone (clean) 

 

 0.35

 (2)

 

 

Container Mass 
(ISS “Pantry-style storageâ€) 
without secondary 
structure 

78

 

 

 1.76

 (2)

 0.0048

 (2)

 

Food As-Shipped, Packaged 
(ISS “Pantry-style storageâ€), 
and within a Container 

42

 (2)

 

International Space Station Food Systems

 

 

Phase II 

79

 

1.83

 (3)

 TBD 

Food As-Shipped, Packaged 
with Food Container 

TBD 

Phase III 

80

 

1.955  

Food As-Shipped, 
No Packaging 

66 

 0.345 

 

Packaging 

Alone   

 2.3 

0.006570 

Food As-Consumed, 
Packaged 

 

Information from 
Bourland (1998) or 
Vodovotz (1999), except 
as noted. 

(1)

 

NASA (1995), 
Section 7.2.2.2.3 

(2)

 Levri (2002) 

(3)

 

Perchonok, et al. 
(2002) 

 

4.3.2

 

Physical Parameters of Refrigeration Equipment 

Table 4.3.2 presents characteristics for the ISS refrigerator / freezer technology. These units were designed, but 

ISS Program deferred launching them along with the planned frozen food system. The internal volume and internal load 
apply to the internal refrigerator or freezer cargo capacity within a single unit assigned to a single rack, while the other 
parameters generally describe the exterior properties of the overall unit. 

Each ISS refrigerator/freezer fits within one ISS rack and has four cold volume compartments, each with a 

dedicated thermoelectric thermal energy management system. An ISS refrigerator/freezer may operate in one of three 
modes, depending on the thermostat settings for the internal compartments. In freezer mode, all four compartments operate 
as freezers; in refrigerator mode, all four compartments operate as refrigerators; and in refrigerator/freezer mode, two 
compartments operate as refrigerators while the other two operate as freezers. The overall thermodynamic coefficient of 
performance (COP

S

) for the ISS refrigerator/freezer in freezer mode is 0.36 (Ewert, 2002a). Waste heat is rejected to the 

internal thermal control loops. The ISS unit has an operational lifetime of 10 y, with ground servicing provided once a year. 

                                                           

77

 

Shuttle food systems are provided for reference only. They do not meet nutritional requirements for long-duration space flight. 
(For example, while this diet meets all minimum nutritional requirements, it exceeds the limit for sodium and iron for a 
weightless diet.)  These food systems do not use any refrigeration. 

78

 

Historically, Bourland (1999) reports an empty food locker has 6.4-kg mass. Filled, this locker holds up to 42 meals (Perchonok, et 
al., 2002) (overall filled locker mass: 24.5 kg [Bourland, 1999], equivalent to 0.583 kg/meal, or 1.75 kg/CM-d). The Shuttle food 
system is shelf-stable without frozen components. Assessments (Levri, 2002) assume ISS pantry-style storage and not Shuttle lockers. 

79

 

ISS Assembly Phase food system. This system is shelf stable. 

80

 

ISS Assembly Complete food system. This food is provided as 50% frozen products. For a 540 CM-d (six crew for 90 d) food 
supply, 1.84 m³ of refrigerated storage is required. 

background image

 

 

57  

 

Table 4.3.2 

International Space Station Refrigerator/Freezer Properties 

 

Units 

Freezer Mode 

Refrig./Freezer Mode 

References 

Unit Mass 

kg 

321.0 

(1)

 321.0 

(1)

 

Secondary Structure Mass 

kg 

91 

(2)

 91 

(2)

 

Volume, Including Rack 

m³ 

2.00 

(3)

 2.00 

(3)

 

Volume, Without Rack 

m³ 

1.16 

(3)

 1.16 

(3)

 

Power kW 

0.268 

(4)

 0.205 

(4)

 

Thermal Energy Management 

kW 

0.297 

(4)

 0.228 

(4)

 

Crewtime CM-h/y 

(1)

 0 

(1)

 

Logistics kg/y 

321.0 

(1)

 321.0 

(1)

 

Internal Load 

kg 

295 

(1)

 295 

(1)

 

Internal Volume 

m³ 

0.614 

(1)

 

0.614 

(1)

 

81

 

(1)

 

Toups, et al. (2001) 

(2)

 

Shepherd (2001) 

(3)

 

Vonau (2002) 

(4)

 

Winter, et al. 
(2001)

 

More generally, Table 4.3.3 lists properties for frozen food storage per frozen-food-mass (ffm) basis. The nominal 

and low values reflect advanced or anticipated technologies while the high values are based on ISS technology. Vapor 
compression and Stirling refrigeration technologies are more efficient, generally exhibiting higher COP

S

 values than 

thermoelectric approaches. However, these advanced technologies are at low technology readiness and require further 
development to meet spaceflight requirements, especially with respect to weightlessness and acoustics (Ewert, 2002a). 

Table 4.3.3 

Frozen Food Storage on a Property per Frozen-Food-Mass Basis 

  

Assumptions 

 

Characteristic Units 

Low 

Nominal High 

References 

1/COP

S

 

thermal

electrical

kW

kW

 

0.5 

(1)

 1.0 

(1)

 9.2 

(1)

 

1/R

S

 

kW/m²

•

×

 10

 

−

3

 

0.28 

(1)

 0.32 

(1)

 

0.32 

(1)

 

kg  

220 

(4)

 321 

(2)

 

Mass 

82

 

kg/kg

 ffm

  

0.75 

1.09 

m³  

TBD 

2.00 

(3)

 

External Volume, Including Rack 

m³/kg

 ffm

 

×

 10

 

−

3

 

  6.78 

m³  

1.16 

(4)

 

 

External Volume, Excluding Rack 

m³/kg

 ffm

 

×

 10

 

−

3

 

 3.93 

 

kW 0.048 

(1)

 0.096 

(1)

 0.268 

(1)

 

Power 

kW/kg

 ffm

 

×

 10

 

−

3

 

0.16 0.33 0.91 

kW 0.053 

(1)

 0.106 

(1)

 0.297 

(1)

 

Thermal Energy Management 

kW/kg

 ffm

 

×

 10

 

−

3

 

0.18 0.36 1.01 

CM-h/y 

0.0 0.0 0.0 

Crewtime 

CM-h/(y•kg

 ffm

0.0 0.0 0.0 

kg/y 0.0 

0.0 

321 

(2)

 

Logistics 

kg/(y•kg

 ffm

) 0.0 0.0 1.09 

(1)

 

Ewert (2002a) 

(2)

 

Toups, et al. (2001) 

(3)

 

Rodriguez and 
England (1998) 

(4)

 

Vonau (2002)

 

 

                                                           

81

 

In refrigerator/freezer mode, half of the internal cold volume is a refrigerator while the other half is a freezer. 

82

 

Including the freezer mass and rack but excluding the secondary structure. 

background image

 

 

58  

 

As described in Ewert (2002b) and presented in Equation 4.3-1, the specific power consumption for a cooled 

volume within a cabinet, 

RF

W

ˆ

 [kW/kg

 ffm

], may be expressed as an empirical function of two system-level values, the 

composite thermal resistance, R

S

 [m²

•

K/kW], and COP

S

 [kW

 electrical

/kW

 thermal

]. R

S

 characterizes the overall resistance to 

heat transfer to or from a cooled volume, such as a refrigerator or freezer, through the cabinet wall accounting for 
insulation, door seals, and any other pathways for heat transfer. COP

S

 is the system-level coefficient of performance 

defined as the net heat removed from the cooled volume divided by the total electrical power consumed by the 
refrigerator or freezer unit including the heat pump cycle and all supporting equipment. The assumed frozen food density 
within the cooled volume, including packaging and gaps, is 480 kg/m³. The assumed air temperature within the cooled 
volume is 

−

 22 

°

C, while the ambient external cabin temperature is 23 

°

C. 

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

âŽ

⎛

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

âŽ

⎛

=

S

S

RF

COP

1

R

1

028

.

1

W

ˆ

 

Equation 4.3-1 

4.3.3

 

Crewtime for the Food Subsystem 

Overall crewtime requirements in the galley depend on the form in which food is shipped and food preparation 

requirements. Crewtime required for food preparation during Space Transportation System (STS, or Shuttle) missions is 
45-90 minutes per day for a crew of up to six (NASA, 1996). This approach uses individually packaged servings. If food 
preparation requires more than heating and/or re-hydration, then the additional preparation complexity increases 
crewtime for preparation compared with current systems. However, more involved preparation may allow for higher 
quality food. 

Hunter (1999) provides another estimate of crewtime for food preparation. Hunter’s model assumes  each 

crewmember eats ten different food dishes per day. For a crew of six, each dish prepared using ingredients provided by 
bioregenerative methods requires 15 to 45 minutes each while each dish taken from resupplied stocks requires an 
average of 6 minutes to prepare based on NASA (1996). Assuming meals prepared using bioregenerative methods each 
require an average of 30 minutes to prepare, a diet based on crops grown on-site would require 5.0 CM-h/d, or 
0.83 CM-h/CM-d, assuming a crew of six. Daily meals prepared completely from resupplied foods would require 
1.0 CM-h/d, or 0.17 CM-h/CM-d. Assuming five dishes are prepared from crops grown on site and five dishes are 
prepared from resupplied stocks, daily meal preparation time would be 3.0 CM-h/d or 0.50 CM-h/CM-d. 

Kloeris, et al. (1998) report meal preparation time during the Lunar Mars Life Support Test Program (LMLSTP) 

Phase III test while using the 10-day BIO-Plex menu averaged 4.6 CM-h/d. 

There will also be crewtime requirements to process the crops into edible food ingredients. These times, though 

expected to be significant, have not been calculated to date. 

4.3.4

 

Food Subsystem Waste Generation 

Wastage will depend on the type of food and the type of preparation, but can be quite large. For example, 

during the 10-day BIO-Plex menu test conducted during the LMLSTP Phase III, total waste, including preparation, plate 
waste, and unused, leftover food, was 42% (Kloeris, et al., 1998). Typically, much lower values are assumed for 
prepackaged food systems. Wastage occurs both due to food adhering to its packaging and due to plate wastage. Waste 
model values are noted below and in Section 4.5.4.7 for both historical pre-packaged food systems and projected food 
systems based on crops from bioregenerative life support systems. 

4.3.5

 

Overall Food Subsystem Parameters 

Typical values from the literature for food-related masses are shown in Table 4.3.4. However, the food mass 

values here do not reflect as great a range as is associated with the metabolic gas exchange values in Table 4.1.1. The 
listed food masses in Table 4.3.4 are “as shipped†and before addition of any hydration fluid and reflect historical pre-
packaged food systems, although the upper value for crewtime is associated with a Food Subsystem using crop products 
derived from a biomass production chamber. 

background image

 

 

59  

 

Table 4.3.4 

Food Quantity and Packaging 

   Assumptions 

 

Parameter Units 

Lower 

Nominal Upper 

References 

IVA Food, dry mass 

83

 

kg/CM-d

0.54 

(8)

 0.617 

(1)

 0.66 

(2)

 

IVA Human Metabolic 
Water Production 

kg/CM-d

 0.345 

(1)

 

 

IVA Energy 

MJ/CM-d

 

11.82 

(1)

 

 

IVA Potable Water 
Consumption 

kg/CM-d

 3.909 

(3)

 

 

EVA Food, dry mass, 
added 

84

 

kg/CM-h

 + 

0.029 

(4)

 

 

EVA Metabolic Water 
Production added 

86

 

kg/CM-h

 + 

0.016 

(4)

 

 

EVA Energy added 

86

 MJ/CM-h

 

0.570 

(5)

 

 

EVA Potable Water 
Consumption 

kg/CM-h

  0.24 

(1)

 

Packaging 

85

 

kg/kg 

 

+ 15 % 

 

Crewtime 

CM-h/d  1 – 1.5 

(6)

 1.5 

(6)

 

4.6+ 

(7) 

86

 

(1)

 

NASA (1991) 

(2)

 

Levri (2002) 

(3)

 

Perchonok (2001) 
and NASA (1991) 

(4)

 

Derived from 
McBarron, et al. 
(1993); metabolic 
rate of 293 W/CM 
and a respiratory 
quotient of 0.9. 

(5)

 

Rouen (2001) 

(6)

 

NASA (1996) 

(7)

 

Kloeris, et al. (1998) 

(8)

  Lange and Lin (1998)

4.3.6

 

Food Subsystems Based on Biomass Production Systems 

The ALS Project assumes that crops within a biomass production chamber will be grown and harvested on a 

bulk basis rather than quasi-continuously. This assumption is designed to minimize crewtime requirements by making 
crew activities more efficient, and may be revisited when more data are available. The three diets presented here assume 
differing availabilities for crops grown on-site. In all cases, the menus given in Table 4.3.5 and Table 4.3.6 are designed 
for use as a unit in order to maintain nutritional integrity. However, minor changes may include moving small amounts 
of crops from the list to be grown and into the resupplied mass, especially for those items (such as rice) that are prepared 
for consumption without post-growth processing operations that will reduce the total edible biomass from the original 
crop. All diets are comparable in nutritional content to the ISS Assembly Complete food system. 

Table 4.3.5 provides wet or fresh masses for the dietary components, as received from the Biomass Subsystem 

while Table 4.3.6 provides the corresponding nutritional information. 

In all cases, the menus given in Table 4.3.5 and Table 4.3.6 are designed for use as a unit in order to maintain 

nutritional integrity. However, minor changes may include moving small amounts of crops from the list to be grown and 
into the resupplied mass, especially for those items (such as rice) that are prepared for consumption without post-growth 
processing operations that will reduce the total edible biomass from the original crop. All diets are comparable in 
nutritional content to the ISS Assembly Complete food system. 

                                                           

83

 

On a dry mass (dw) basis. 

84

 

EVA requirements are in addition to any IVA requirements. 

85

 

Packaging accounts for individual food packages only. Secondary structure, lockers, and trays are additional. 

86

 

This value is derived using “ready to use†ingredients and includes no crop processing to develop ingredients. An estimate 
including crop processing to develop ingredients might be double this value, or ~9 CM-h/d, or more. 

background image

 

 

60  

 

Table 4.3.5 

Menu Masses for Diets Using Advanced Life Support Crops and Resupplied Foods 

 

Average Production Based on Consumption,  

Fresh Mass [kg/CM-d] 

Crop 

Diet Using 

Only ALS 

Salad Crops

 

87

 

Diet Using 

Salad and 

Carbohydrate 

Crops

 

88

 

Diet Using All 

ALS Crops

 

89

 

Cabbage 

0.0194 0.0025 n/a 

Carrot 0.0365 

0.040 

0.0401 

Celery n/a 

0.0075 

n/a 

Dry Bean, incl. lentil and 
pinto 

n/a 0.013 

0.0214 

Green Onion 

0.0045 

0.034 

0.0226 

Lettuce 0.0156 

0.021 

0.0075 

Mushroom n/a 

0.0013 

n/a 

Pea n/a 

0.0038 

n/a 

Peanut 

n/a n/a 0.0288 

Peppers n/a 

0.031 

n/a 

Radish 0.009 

n/a 

0.0150 

Rice 

n/a n/a 0.0214 

Snap Bean 

n/a 

0.010 

n/a 

Soybean 

n/a n/a 0.2340 

Spinach 0.0048 

0.040 

0.0463 

Sweet Potato 

n/a 

0.18 

0.0768 

Tomato 0.0460 

0.21 

0.2854 

Wheat n/a 

0.22 

0.0963 

White Potato 

n/a 

0.17 

0.1047 

Crop Sub Total 

0.1358 

1.0 

1.00 

Water 

90

 

1.1581 2.1 

0.6053 

Resupplied Foodstuffs 

1.168 

91

 0.5 

93, 

92

 

0.0944 

Total 2.462 

3.6 

1.70 

Potable Water 

93

 

2.0 2.0 2.0 

Food 

Processing 

Waste 

TBD TBD 0.094 

 

                                                           

87

 

From Hall, et al. (2000). This diet assumes a 10-day cycle. 

88

 

From Hall and Vodovotz (1999). This diet assumes a 20-day cycle. 

89

 

From Ruminsky and Hentges (2000). This diet assumes a 10-day cycle. 

90

 

Water for hydration, cooking, and food preparation only. Water for clean-up is not included. Water tankage is not included. 

91

 

Resupplied food is a combination of STS and ISS foodstuffs. 

92

 

Oil is included as resupply. No frozen or refrigerated foods are assumed for this calculation. Packaging is not included. 
Resupplied food is about 40 % moisture by mass. Resupplied food includes meat. 

93

 

The crew also requires 2.0 L/CM-d for drinks, again excluding packaging/tankage. (Perchonok, 2001) 

background image

 

 

61  

 

Table 4.3.6 

Nutritional Content of Diets Using Advanced Life Support Crops and Resupplied Foods 

Dietary 
Component Units Goal 

Diet Using 
Only ALS 
Salad 
Crops

 

89

 

Diet Using 
Salad and 
Carbohydrate 
Crops

 

90

 

Diet Using All 
ALS Crops

 

91

 

Energy MJ/CM-d 

11.82 

94

 

9.31 9.74 

7.74 

Carbohydrate g/CM-d 

– 

312.179 

357.1 

314.12 

Fat g/CM-d 

– 

71.9141 

71.6 

46.84 

Protein g/CM-d 

– 

91.2913  73.1  54.91 

Calcium, Ca 

mg/CM-d  1,000 – 1,200 

95

 

925.557 812  545 

Iron, Fe 

mg/CM-d  < 10 

97

 19.2385 

21.5 

17.23 

Magnesium, Mg  mg/CM-d  350 

97

 294.687 

386 

376.48 

Phosphorous, P 

mg/CM-d  < 1.5 Ca intake 

97

 1,440.68 

1,356 

1,079.52 

Potassium, K 

mg/CM-d  ~ 3,500 

97

 3,316.57 

3,723 3,179.86 

Sodium, Na 

mg/CM-d  1,500 – 3,500 

97

 3,909.56  3,600 

3,205.96 

Zinc, Zn 

mg/CM-d  15 

97

 12.8077 

10 

7.5 

Dietary Fiber 

g/CM-d 

10 â€“ 25 

97

 25.1129 33.3 28.5 

Percentage of Energy Contributed to Diet 

 

 

 

Carbohydrate 

50 â€“ 55 

97

 55.5 

61  68.1 

Fat 

30 â€“ 35 

97

 28.7 

27  22.4 

Protein 

12 â€“ 15 

97

 16.2 

12  12 

The Diet Using Only ALS Salad Crops (Hall, et al., 2000) is aimed at near-term missions and supplements the 

more traditional packaged food systems with fresh food in the form of salad crops. The bulk of the nutritional content is 
supplied by the packaged food and the degree of closure is low. 

The Diet Using Salad and Carbohydrate Crops (Hall and Vodovotz, 1999) is also aimed at near-term missions, 

but this diet provides somewhere around half of the necessary mass through crops grown on-site. Resupply includes 
products high in protein, such as meat, in addition to seasonings and other supporting foodstuffs. Oil is also provided via 
resupply, as typical oil crops are not grown for this diet. Overall, this approach provides greater on-site food closure, 
adds only moderate additional food processing, and provides variety equivalent to that of a vegetable garden. 

The Diet Using All ALS Crops (Ruminsky and Hentges, 2000) uses a wide variety of species, and provides a 

high degree of closure. Oil is provided from peanut, but the specific processing has not been identified. With respect to 
closure, the resupply mass includes herbs and condiments. As the ALS crop variety is limited, resupply items provide 
necessary nutrients that are not available in sufficient quantities within the grown biomass. 

Levri, et al. (2001) examined prepackaged food systems for exploration missions to Mars using the standard 

Shuttle Training Menu with a 7-day menu cycle as a basis. To support the nominal NASA crewmember, the standard 
Shuttle Training Menu was adjusted slightly to raise the energy content to 11.82 MJ/CM-d. Data collected by Levri, et 
al. (2001) showed the practical minimum wastage rate of resupplied food for situations in which the crew attempts to eat 
all of the food with which they are supplied is 3 % by mass. This remaining 3 % of the food mass adheres to the inside of 
the food packaging. 

                                                           

94

 

From NASA (1991). 

95

 

From Lane, et al. (1996). 

background image

 

 

62  

 

Table 4.3.7 presents mass and volume properties for three study food systems, as formulated by Levri, et al. 

(2001), which are modified from the standard Shuttle Training Menu. Each system assumes crew metabolic loads 
consistent with intravehicular activities. â€œAs-shipped†food contains any moisture present when the food is packaged for 
launch. Food â€œas-consumed†also includes any additional water that is added to rehydrate food items and powdered 
beverages before consumption. The additional drinking water is computed based on the assumption that a crewmember 
consumes at least 239.0 milliliters of water, either within food or in addition to food, for every Mega-Joule of metabolic 
energy within the consumed food to provide proper hydration for metabolic assimilation of the food. 

96

  Some sources, 

such as the National Research Council (1989), recommend as much as 358.5 milliliters of water per Mega-Joule of 
energy in the consumed food. Generally, these food systems are stored under ambient conditions in an ISS food locker. 
Frozen storage, when noted, assumes an ISS thermoelectric freezer (Section 4.3.2). Locker and freezer volumes are 
computed with respect to external dimensions. 

Table 4.3.7 

Properties of Early Mars Diets for Intravehicular Activities Using Resupplied Foods 

 Units 

Modified 

Shuttle 

Training 

Menu

 

97

 

Low 

Moisture 

Content 

Menu

 

99

 

Menu 

Containing 

Some 

Frozen 
Food

 

99

 

IVA Food Properties, No Packaging 

 

 

 

 

Food, 

Dry 

Mass 

kg/CM-d 

0.66 0.66 0.66 

Food 

“As-Shipped†

kg/CM-d 

1.15 0.92 1.37 

Moisture Content of Food â€œAs-Shipped† % 

42 

28 

52 

Food “As-Consumed,†with Rehydration 

kg/CM-d 

2.40 2.20 2.38 

Additional Drinking Water 

kg/CM-d 

1.132 1.322 1.153 

IVA Food Packaging Properties 

 

 

 

 

Packaging 

Mass 

kg/CM-d 

0.26 0.27 0.24 

IVA Food Locker Properties 

98

 

 

 

 

 

Locker 

Mass 

kg/CM-d 

0.35 0.32 0.25 

Locker 

Volume 

m³/CM-d 

0.00482 0.00452 0.00354 

IVA Food Freezer Properties 

 

 

 

 

Freezer Mass 

kg/CM-d 

n/a n/a 0.808 

Freezer 

Volume 

m³/CM-d 

n/a n/a 0.00231 

IVA Food and Packaging Waste 

 

 

 

 

Trash 

Mass 

kg/CM-d 

0.33 0.32 0.29 

 

                                                           

96

 

Alternately, this guideline may be formulated as 1.0 milliliters of water per kilocalorie of food energy consumed. 

97

 

From Levri (2002). The values here include material that normally clings to food packaging and is discarded. 

98

 

Food maintained at ambient conditions is stored in lockers aboard ISS. These values assume ISS “Pantry-style storage. 

background image

 

 

63  

 

Table 4.3.8 provides the nutritional analysis for the food systems presented in Table 4.3.7. However, unlike 

Table 4.3.7, which is based on all food â€œas shipped,†including food that adheres to the food packaging and is not 
consumed by the crewmember, values in Table 4.3.8 consider only the edible material a nominal crewmember consumes, 
and assume the crewmember attempts to eat all of the food within a package and only wastes material that adheres to the 
package walls. 

Table 4.3.8 

Nutritional Content of Early Mars Diets for Intravehicular Activities Using Resupplied Foods 

Dietary Component 

Units 

Modified 

Shuttle 

Training 

Menu

 

99

 

Low Moisture 

Content 

Menu

 

101

 

Menu 

Containing 

Some Frozen 

Food

 

101

 

Energy MJ/CM-d 

11.82 

11.82 

11.82 

Carbohydrate g/CM-d 

376 

382 

371 

Fat g/CM-d 

97 

93 

97 

Protein g/CM-d 

113 

115 

116 

Dietary Fiber 

g/CM-d 

33 

33 

37 

Ash g/CM-d 

27 

25 

30 

Water in Food 

100

 

g/CM-d 466 

248 

690 

Rehydration Water 

g/CM-d 

1,227 

1,255 

982 

Additional Drinking Water 

101

 

g/CM-d 1,132 

1,322 

1,153 

Percentage of Energy Contributed to Diet

 

 

 

 

Carbohydrate % 

53 

54 

53 

Fat % 

31 

30 

31 

Protein % 

16 

16 

16 

Based on the dietary contributions of salad crops suggested by Perchonok, et al. (2002) and data compiled by 

Levri, et al. (2001), four diets using ALS salad crops and resupplied food systems are presented in Table 4.3.9. The crop 
values listed here are based on fresh salad crops, as received from the Biomass Subsystem, less any biomass removed 
during preparation. Resupplied foodstuffs are listed “as-shipped,†without rehydration water, and do not include 
packaging materials. Values here do not include material that adheres to packaging and that is ultimately wasted. 
Drinking water is listed near the bottom of the table. As above, the drink water assumes that a crewmember consumes at 
least 239.0 milliliters of water, either within food or in addition to food, for every Mega-Joule of metabolic energy within 
the consumed food to provide proper hydration for metabolic assimilation of the food. The listings for food processing 
waste consider wasted edible biomass from preparation of the salad crops plus resupplied food that adheres to packaging 
materials. Here it is assumed that 3 % of the food mass within a prepackaged food item will adhere to the packaging. 

                                                           

99

 

From Levri (2002). The values here are based on food “as consumed†by a crewmember, excluding material that normally 
clings to the food packaging. 

100

  Moisture, or water, held in the food as shipped before rehydration. 

101

  The additional drinking water is computed based on the assumption that a crewmember consumes at least 239.0 milliliters of 

water, either within food or in addition to food, for every Mega-Joule of metabolic energy within the consumed food to provide 
proper hydration for metabolic assimilation of the food. These values are identical to those in Table 4.3.7 because losses were 
neither measured nor assumed. 

background image

 

 

64  

 

Table 4.3.9 

Menu Masses for Diets Using Advanced Life Support Crops and Resupplied Foods 

 

Average Production Based on Consumption, Fresh Mass [kg/CM-d] 

Crop 

Diet Using 

Shuttle 

Training 

Menu and 

ALS Salad 

Crops

 

102

 

Diet Using 

Low Moisture 

Content Menu 

and ALS Salad 

Crops

 

104

 

Diet Using ISS 

Assembly 
Complete 

Menu with 

Some Frozen 

Food and ALS 

Salad Crops

 

104

 

Diet Using 

Shuttle 

Training 

Menu and 

ALS Salad 
Crops plus 

Potato

 

104

 

Cabbage 

0.0107 0.0107 0.0107 0.0107 

Carrot 

0.0357 0.0357 0.0357 0.0357 

Celery 

n/a n/a n/a n/a 

Dry Bean, inc. lentil and pinto 

n/a n/a n/a n/a 

Green 

Onion  n/a n/a n/a n/a 

Lettuce 

0.0097 0.0097 0.0097 0.0097 

Mushroom 

n/a n/a n/a n/a 

Pea 

n/a n/a n/a n/a 

Peanut 

n/a n/a n/a n/a 

Peppers 

n/a n/a n/a n/a 

Radish 

0.0114 0.0114 0.0114 0.0114 

Rice 

n/a n/a n/a n/a 

Snap 

Bean 

n/a n/a n/a n/a 

Soybean 

n/a n/a n/a n/a 

Spinach 

0.0134 0.0134 0.0134 0.0134 

Sweet 

Potato  n/a n/a n/a n/a 

Tomato 

0.0143 0.0143 0.0143 0.0143 

Wheat 

n/a n/a n/a n/a 

White 

Potato  n/a n/a n/a 0.0840 

Crop 

Sub 

Total  0.0953 0.0953 0.0953 0.1793 

Rehydration Water 

103

 

1.2173 1.2455 0.9744 1.1822 

Resupplied Foodstuffs 

104

 

1.1030 0.8831 1.3200 1.0703 

Total 

2.4154 2.2239 2.3897 2.4319 

Drinking Water 

105

 

1.058 1.246 1.079 1.050 

Food Processing Waste 

106

 

0.0371 0.0303 0.0438 0.0386 

                                                           

102

  From Levri (2002). The values here are reflect food “as-shipped,†for prepackaged food, and “as-received†from the Biomass 

Subsystem, less preparation waste, for food grown locally. Wasted food mass is listed separately at the bottom of the table. 
Crewmembers consume all other masses in this table except for wasted mass. 

103

  Water for rehydration only. Water for clean-up is not included. Water tankage is not included. 

104

  Masses are for food “as shipped,†without packaging, storage lockers, or water for hydration. 

105

  Again, this listing excludes packaging/tankage. 

106

  These values include the wasted portion of fresh, edible biomass, as well as the wasted portion of resupplied, â€œas-consumed†

food. These values do not include packaging. 

background image

 

 

65  

 

Table 4.3.10 provides the nutritional analysis for the food systems presented in Table 4.3.9. As above, values in 

Table 4.3.10 consider only the edible material a nominal crewmember consumes, and the crewmember only wastes food 
material that adheres to the package walls or serving dishes and some edible biomass from crop preparation. 

Table 4.3.10 

Nutritional Content of Diets Using Advanced Life Support Crops and Resupplied Foods 

Dietary 

Component 

Units 

Diet Using 

Shuttle 

Training 

Menu and 

ALS Salad 

Crops

 

107

 

Diet Using 

Low Moisture 

Content 

Menu and 

ALS Salad 

Crops

 

109

 

Diet Using 

ISS Assembly 

Complete 

Menu with 

Some Frozen 

Food and 

ALS Salad 

Crops

 

109

 

Diet Using 

Shuttle 

Training 

Menu and 

ALS Salad 
Crops plus 

Potato

 

109

 

Energy MJ/CM-d 

11.82 11.82 11.82 11.82 

Carbohydrate 

g/CM-d 

376 383 372 385 

Fat  g/CM-d 

96 93 97 93 

Protein 

g/CM-d 

114 115 116 111 

Dietary 

Fiber 

g/CM-d 

35 35 39 36 

Ash g/CM-d 

28 26 31 28 

Water in 
Food 

108

 

g/CM-d 

550 333 772 595 

Percentage of Energy Contributed to Diet 

 

 

 

Carbohydrate 

53 54 53 54 

Fat  % 

31 30 31 30 

Protein 

16 16 16 16 

The four diets, presented in Table 4.3.9 and Table 4.3.10, are derived from the standard Shuttle Training Menu 

and work by Levri, et al. (2001). The first and fourth diets included prepackaged items from the Modified Shuttle 
Training Menu (see Table 4.3.7 and Table 4.3.8). The second diet considers prepackaged items from the Low Moisture 
Content Menu while the third diet employs the Modified Shuttle Training Menu with some frozen items to simulate a 
food system similar to what is planned for ISS when that facility is completely assembled. 

Perchonok, et al. (2002) provide estimates for salad servings based on preliminary menus for early mission 

scenario testing. This overall approach assumes a prepackaged food system augmented with grown salad crop, and the 
diet is analogous to the Diet Using Only ALS Salad Crops from Hall, et al. (2000). Note  Table 4.3.11 provides inputs 
only for the dietary contributions derived directly from the vegetables. The supporting prepackaged food items are not 
included. 

Perchonok, et al. (2002) assumes: 

•

 

Salad is served four times per week. 

•

 

Raw carrots are served as a snack once per week. 

•

 

Steamed carrots are served once per week. 

•

 

Steamed or raw spinach is served once per week. 

•

 

Bok choy can be served as cole slaw once per week. 

                                                           

107

  From Levri (2002). The values here are based on food “as consumed†by a crewmember, excluding edible material that 

normally clings to food packaging or serving dishes. 

108

  Moisture, or water, held in the food as shipped before rehydration. 

background image

 

 

66  

 

Table 4.3.12 provides overall values for locally grown crops for this diet. 

Table 4.3.11 

Updated ALS Salad Crop Only Dietary Contributions 

Menu Item 

Vegetable 

Serving 

Size 

109

 

[g] 

Number 

per Week 

Serving Rate 

110

 

[kg/CM-d] 

Salad 1 

Lettuce 

34 

0.00971 

 Carrot 

40 

0.01114 

 Radish 

40 

0.01143 

Salad 2 

Spinach 

20 

0.01086 

 Tomato 

(Cherry) 

50 

0.01429 

Snack Carrot 

85 

1  0.01214 

Steamed Side Dish 

Spinach 

55 

0.00786 

Cole Slaw 

Cabbage 

63 

0.009 

 

Table 4.3.12 

Overall Crops Masses for Updated Salad Crop Only Diet 

Vegetable 

Serving Rate 

112

 

[kg/CM-d] 

Cabbage 0.009 
Carrot 0.03542 
Lettuce 0.00971 
Radish 0.01143 
Spinach 0.01872 
Tomato (Cherry) 

0.01429 

Total 0.09857 

4.3.7

 

Food Processing 

Food processing takes the edible biomass produced by plant crops, either fresh or as prepared for storage, and 

produces food products and ingredients such as pasta and flour. These food products may be stored or used immediately, 
together with ingredients supplied from the Earth (or, for analog testing, from outside the facility), and prepared to 
provide food. 

For long-duration missions beyond low Earth orbit, current planning envisions that crops will be grown and 

processed on a bulk basis. Hunter and Drysdale (1996) estimated the equipment mass to perform food processing for a 
crew of four to be about 655 kg. However, this is a very preliminary estimate, and the actual processing equipment will 
likely differ. Thus, the value here is a suitable “placeholder†until more definitive values are available. 

4.4

 

Thermal Management 

Thermal management, in terms of its most direct impact on a spacecraft, maintains temperatures throughout the 

vehicle. Or, from another perspective, thermal energy, or heat, transfers from regions of high temperature to regions of 
low temperature. The thermal management hardware regulates when and how thermal energy transfers from regions of 
high temperature within the spacecraft to regions of low temperature outside of the spacecraft so that all components 
within the spacecraft are maintained between their prescribed temperature limits. Specifically, thermal management does 
not directly address heating associated with aerodynamic drag, although aerodynamic heating may impose greater 

                                                           

109

  Mass “as prepared.†

110

  Mass per crewmember per day â€œas grown.† This is listed as fresh edible biomass. The associated inedible biomass is also 

produced as given in Table 4.2.7. 

background image

 

 

67  

 

thermal loads for the thermal management hardware, such as when heat conducts through the vehicle structure and into 
the crew cabin. Heating generated by aerodynamic drag is managed by the thermal protection system. 

4.4.1

 

Heat Transfer Mechanisms 

An outline of underlying mechanisms of heat transfer can be beneficial in understanding heat management 

technology, so a brief explanation of heat transfer mechanisms is detailed below. However, please see Incropera and 
DeWitt (1985), the primary reference for this section, for a more thorough discussion. 

Physically, heat transfers from high to low temperature via one of three distinct mechanisms. These 

mechanisms are conduction, convection, and radiation. Heat transfer with a phase change is sometimes discussed 
separately and may be viewed as a fourth heat transfer mechanism 

111

4.4.1.1

 

Conduction 

Conduction describes the transfer of heat within matter by diffusion, or heat transfer through matter in the 

absence of macroscopic bulk motion of the matter. An example is heat moving up the shaft of a metal spoon sitting in a 
heated pot on a stove. The thermal energy, which is expressed as vibrational, rotational, and translational energy on 
atomic scales, is transferred from more-quickly vibrating atoms closer to the heated surface to less-quickly vibrating 
atoms further from the heated surface by interactions between adjacent atoms. 

4.4.1.2

 

Convection 

Convection describes the transfer of heat in which matter acquires heat, by close molecular interaction, such as 

is described above for conduction, then bulk motion of that matter carries both the matter and thermal energy away from 
its location of origin. For example, heat may diffuse from hotter metal to an adjacent cooler moving fluid, then the bulk 
motion of the moving fluid carries the heat away from its origin. Likewise, the reverse process, that of transferring heat 
from a hot moving fluid to a cooler solid, is also convection. 

4.4.1.3

 

Radiation 

Radiant heat transfer is an exchange of heat between two surfaces without any intervening matter. Specifically, 

heat transfers from one surface to another surface that it can â€œsee†simply by virtue of a temperature difference between 
the two surfaces. In a perfect vacuum, which is approximated in free space, no intervening matter is present to convey 
heat from one surface to another by either conduction or convection, yet heat does transfer from a hotter surface to a 
cooler surface via electromagnetic waves in the mechanism called radiation. Warm spacecraft reject their thermal loads 
from relatively hot surfaces to relatively cold space by radiant heat transfer. Please note that while radiation also 
describes the mechanism by which other forms of energy, such as solar particles and x-rays, pass through a vacuum, 
thermal radiation merely transfers heat and has no additional mutagenic effect on biological creatures exposed to it. 
Please note also that while radiant transfer is generally of the greatest importance in a vacuum, radiant transfer occurs in 
all situations where two surfaces that can “see†each other are at different temperatures, even if, for example, a fluid fills 
the gap between those two surfaces and heat is transferred to or from the surfaces also by conduction and/or 
convection. 

112

 

                                                           

111

  As noted below, phase change represents a special case of one of the three heat transfer mechanisms with the additional 

stipulation that one of the participating materials changes its physical state as a result of gaining or losing heat. However, even 
though phase change is not a unique mechanism, it is sometimes useful to distinguish heat transfer operations with phase change 
from other heat transfer operations. 

112

  Within a pressurized crew cabin, though all three heat-transfer mechanisms are active, conduction and/or convection usually 

dominate compared to radiant exchange. Physically, the driving potentials for conduction and convection heat transfer are 
proportional to the simple difference in temperature while the driving potential for radiant heat transfer is proportional to the 
difference in temperature to the fourth power. Within the crew cabin, coupled with appropriate transport properties, conduction 
and convection are greater in magnitude than corresponding radiant exchanges. Thus, within a crew cabin, analysts often neglect 
radiant exchange with only a minor loss in accuracy. As a cautionary note, there are situations, especially within terrestrial 
industry, in which radiant exchange is significant or dominates as the preferred heat transfer mechanism even when conduction 
and/or convection are also viable modes. Please see Incropera and DeWitt (1985) for a more expansive discussion. 

background image

 

 

68  

 

4.4.1.4

 

Heat Transfer with Phase Change 

Phase change describes heat transfer when matter accepts or discharges heat and changes its physical state. 

Though it is mentioned here separately, phase change is really a specialized case of one of the three heat transfer 
mechanisms in which matter changes state. As an example, when water boils in a stovetop pan, liquid water approaches 
the bottom of the heated pan and leaves in the form of steam bubbles after accepting heat. This change is really heat 
transfer by convection with the matter undergoing bulk motion and changing its state from liquid to vapor upon 
accepting heat from the solid. Likewise, phase change may occur in situations without bulk motion, such as when butter 
melts between two slices of hot bread, which is an example of conduction with phase change of a participating 
conducting material. 

4.4.2

 

Thermal Management Organization 

Thermal management may be subdivided in several ways. One organization classifies thermal management as 

either passive or active. Passive thermal management hardware encourages or inhibits heat transfer as the heat passes 
directly through the hardware and eventually to the external environment, radiating from the vehicle’s entire external 
surface. Active thermal management hardware acquires thermal loads near where the loads are generated and then 
transports those loads to some other portion of the vehicle before the loads are discharged to the environment by 
specifically designed radiating surfaces. 

4.4.2.1

 

Passive and Active Thermal Management 

Thermal management hardware may be classified as either passive or active. As outlined below, passive 

thermal management hardware is generally integrated into the vehicle structure and retards the flow of thermal energy 
either in to or out of the vehicle. Active thermal management hardware acquires thermal loads at or near their point of 
generation and transports those loads to the exterior of the vehicle for rejection. 

4.4.2.1.1

 

P

ASSIVE 

T

HERMAL 

M

ANAGEMENT

 

Passive thermal management hardware controls heat leakage from the vehicle and maintains cabin walls within 

prescribed temperature bounds. Passive thermal management hardware is deployed within the vehicle structure and 
generally takes the form of insulation and resistive heaters. Insulation impedes the transfer of heat either in to and out of 
the vehicle while resistive heaters allow active control of the wall temperatures when completely passive approaches are 
inadequate. Because passive thermal management hardware is generally incorporated into the vehicle structure, it is 
included within mass penalties for the vehicle structure. 

4.4.2.1.2

 

A

CTIVE 

T

HERMAL 

M

ANAGEMENT

 

Active thermal management hardware removes excess thermal loads from within the vehicle to the environment 

by physically transporting those loads from their site of generation to an appropriate rejection site. Active thermal 
management is comprised of three basic processes. These are: acquisition of thermal energy, transport of thermal energy, 
and rejection of thermal energy. Acquisition hardware is comprised of fans, coldplates, and condensing heat exchangers 
for primary functionality. Transport hardware can use, theoretically, any mechanism. Historically, for human spacecraft, 
transport relies on a liquid working fluid constrained within an enclosed flow channel, using the convection heat transfer 
mechanism to take loads from acquisition devices and to release loads to rejection devices. 

113

  Using this architecture, 

transport hardware consists of fluid tubes or pipes, pumps, accumulators, and valves. The working fluid may be two-
phase, but NASA has typically employed single-phase working fluids. Finally, rejection hardware may be radiators, 
devices that reject expendable materials carrying thermal loads, such as a flash evaporator or a sublimator, or phase 
change devices such as packages containing phase change materials. Thermal management infrastructure penalties 
generally represent active thermal management hardware. 

                                                           

113

  It is possible to foresee thermal transport using either conduction or radiant heat transfer. For short distances, relatively small 

thermal loads, or even highly temperature-tolerant equipment, conduction via solid material pathways to the exterior of the 
vehicle is possible. In fact, passive thermal management uses conduction as its transport mechanism through the vehicle 
structure. Radiant transport mechanisms are also possible, but less likely, within a vehicle because convective heat transfer 
within a working fluid is generally more efficient for relatively small temperature differences associated with temperature 
variations within a vehicle than is radiant heat transfer. 

background image

 

 

69  

 

4.4.2.2

 

Thermal Subsystem and Cooling External Interface 

Active thermal management may be further subdivided into the Thermal Subsystem, an ALS subsystem, and 

Cooling, which is an external interface to the ALS concept of the life support system. 

4.4.2.2.1

 

T

HERMAL 

S

UBSYSTEM

 

The Thermal Subsystem, which is really a subset of active thermal management, acquires waste thermal loads at 

or near the site of origin and transports those loads to sites where they are rejected. The Thermal Subsystem also 
redistributes heat for reuse by other processes when necessary as part of the defined life support system. Typical Thermal 
Subsystem technologies often include heat exchangers, coldplates, pumps and fans, valves, working fluids, 
accumulators, and fluid lines. 

4.4.2.2.2

 

C

OOLING 

E

XTERNAL 

I

NTERFACE

 

The Cooling External Interface, which is also a subset of active thermal management, rejects waste thermal 

loads from the spacecraft. Cooling technologies include rejection hardware such as radiators, phase change devices, and 
devices that reject expendable materials carrying thermal loads. 

4.4.2.3

 

General Thermal Management Architecture 

In addition to dividing active thermal management as a Thermal Subsystem plus a Cooling External Interface, 

active thermal management may be divided into internal thermal control and external thermal control. In this 
arrangement, the internal thermal control system (ITCS) 

114

 initially acquires thermal loads from the crew cabin. The 

ITCS transports the thermal loads and releases them to a heat exchanger common to both the ITCS and the external 
thermal control system (ETCS). 

115

  The ETCS acquires thermal loads from the heat exchanger in common with the 

ITCS and from heat sources outside the crew cabin. The ETCS transports the combined heat loads to the vehicle heat 
rejection devices. 

This architecture, using an ITCS with an ETCS, allows a non-toxic working fluid to circulate in all thermal 

management hardware located inside the crew cabin while allowing a more appropriate fluid, from an engineering 
perspective, to be used in thermal management hardware outside the crew cabin. With recent NASA vehicles, such as the 
Shuttle Orbiter and ISS, the ITCS working fluid is water, which is non-toxic and has ideal properties for transporting 
thermal loads, except that it has a relatively high freezing point compared to the external environment in low-Earth orbit. 
The Shuttle Orbiter and ISS both use more toxic working fluids in their ETCS that have lower freezing point 
temperatures. The Shuttle Orbiter uses Freon 21 while ISS relies on anhydrous liquid ammonia. 

While this architecture, using an ITCS with an ETCS, allows use of more toxic, freeze-resistant working fluids 

in the ETCS while circulating a non-toxic fluid in the ITCS, this approach carries additional expenses compared with a 
system using a common loop to both acquire thermal loads from the crew cabin and reject them to the external 
environment. In particular, a thermal management system using both an ITCS and an ETCS has the added mass of the 
heat exchanger common to the ITCS and ETCS plus the added mass of an additional pump for the additional loop. 
Noting that both the Shuttle Orbiter and ISS use two ITCS and two ETCS loops, for redundancy, this arrangement 
actually adds two extra heat exchangers and two extra pump packages. Further, while the ITCS and ETCS loops are 
cross-linked or plumbed in a manner that any heat load may be acquired and rejected by either of the two loops serving a 
particular location in the spacecraft, loss of either an ITCS loop or an ETCS loop degrades the overall heat transport and 
rejection capabilities of the thermal control system. Consequently, the additional inherent complexity actually reduces 
overall system reliability. 

4.4.2.3.1

 

I

NTERNAL 

T

HERMAL 

C

ONTROL 

S

YSTEM

 

The internal thermal control system (ITCS) acquires thermal loads from thermal acquisition sites within the 

crew cabin and transports those loads to a heat exchanger in contact with the ETCS. The ITCS acquires thermal loads 
through specified interfaces. These interfaces are usually coldplates, where the heat loads are cooled by conduction 

                                                           

114

  Likewise, this may be designated as the “internal thermal control subsystem.†

115

  At assembly complete, International Space Station also uses the terminology “internal thermal control system†for its 

corresponding water coolant loops. However, the corresponding International Space Station “external thermal control system†is 
referred to as the â€œexternal active thermal control system†(EATCS). Combined, the ITCS and EATCS are the â€œactive thermal 
control system†(ATCS). 

background image

 

 

70  

 

through the hardware’s external structure, or heat exchangers, where the heat loads are initially cooled by convection to a 
working fluid. In the second case, the most common working fluid within a crew cabin is the enclosed atmosphere 
because many heat loads release their waste heat to the cabin atmosphere either by convection or radiant transfer. Gas-
liquid heat exchangers transfer the atmospheric heat loads to the ITCS. 

Cabin atmospheric thermal loads are removed by the gas-liquid heat exchanger through two approaches. 

Sensible heat is released from cabin atmospheric gases by convection to the gas-liquid heat exchanger. Latent heat is 
released by condensing water vapor, also called humidity, from the cabin atmospheric gases, removing both humidity 
and thermal energy by convection with phase change. 

Though removal of sensible and latent thermal loads from the cabin atmosphere is a necessary function, because 

the cabin atmospheric gases and extracted condensate are involved in this process, it is possible that the cabin 
condensing heat exchanger may organizationally be grouped in whole or in part outside of the Thermal Subsystem even 
though the underlying processes remove heat. In this document, for completeness, the condensing heat exchanger is 
grouped with the Thermal Subsystem. 

4.4.2.3.2

 

E

XTERNAL 

T

HERMAL 

C

ONTROL 

S

YSTEM

 

The external thermal control system (ETCS) acquires thermal loads from the ITCS and from thermal acquisition 

sites outside of the crew cabin. Because the equipment outside of the crew cabin is almost universally in an 
unpressurized environment, thermal acquisition interfaces are almost universally coldplates. The ETCS rejects thermal 
loads to the environment using specified heat rejection devices, such as radiators, phase change devices, and devices that 
reject expendable materials carrying thermal loads. Mixing warm and cooled working fluid in the return line adjusts the 
temperature of the ETCS working fluid returning from the heat rejection suite to a prescribed set-point temperature. 
While the heat-rejection suite thermally cools working fluid, warm working fluid is routed around the heat rejection suite 
using a flow bypass as necessary to meet the set-point temperature for the ETCS heat acquisition devices. 

 

Figure 4.4.1 illustrates the interrelationship between the various component definitions for the ATCS. The 

ITCS, denoted in black with plain type, acquires thermal loads within the crew cabin and rejects those thermal loads to 
the ETCS. The ETCS, denoted in red with italicized type, acquires thermal loads from the ITCS and equipment outside 
of the crew cabin and rejects those thermal loads to the environment. The Thermal Subsystem hardware is displayed on a 
green background and includes all ITCS hardware and ETCS hardware not dedicated to heat rejection. Finally, the 
Cooling External Interface, displayed on a blue background with underlined type, includes ETCS hardware dedicated to 
heat rejection. 

background image

 

 

71  

 

 

Condensing Heat Exchangers 

Cabin Cold Plates 

Other Heat Exchangers 

Cabin Atmospheric Heat Loads

Equipment Heat Loads 

Pump Package

Water 

ITCS

ITCS 

 
 

ETCS

 

Pump Package

Cabin Cold Plates 

Equipment Heat Loads 

Radiators 

Rejection with Consumables 

Thermal Storage 

Flow 

Bypass 

Consumables

Heat to Environment 

Ejected Consumables 

ETCS

Thermal

 

Cooling

Common 
ITCS/ 

ETCS 
Heat Exchanger

 

 

Figure 4.4.1  Active thermal control system component definitions. Internal thermal control system components are 

designated with black lines and plain type. External thermal control system components are designated with 
red lines and italicized type. Cooling External Interface hardware is presented on a blue background with 
underlined type. Thermal Subsystem hardware is presented on a green background without additional 
adjustments to the type font. 

background image

 

 

72  

 

4.4.3

 

Thermal Management Technology 

4.4.3.1

 

Historical Thermal Management Approaches 

While all NASA human-rated vehicles to date have used thermal management hardware to control the crew 

cabin atmospheric temperature and humidity, recent concerns over safety prohibit all but the most recent designs. In 
particular, some older spacecraft, such as Apollo, used a mixture of ethylene glycol with water as a working fluid within 
an active thermal control system loop that entered the crew cabin. Recent flight rules strongly advise against using 
ethylene glycol in any application within a vehicle in which a crewmember may contact it. Accordingly, the discussion 
of historical thermal management approaches is limited to designs for the Shuttle Orbiter and the ISS. 

4.4.3.1.1

 

S

HUTTLE 

T

HERMAL 

M

ANAGEMENT

 

Figure 4.4.2 shows the ordering of components for one of two ETCS loops in a Shuttle Orbiter. A mechanical 

pump package, with two identical units plumbed in parallel, drives the single-phase Freon 21 working fluid. For this 
application, one pump is active and the second is a spare. The accumulator sets the low pressure for the fluid loop. When 
the working fluid contracts, the accumulator adds fluid, and when the working fluid expands, the accumulator stores any 
excess fluid. Because even liquid material properties are not truly invariant to temperature variations, the accumulator 
most often compensates for working fluid density variations associated with temperature changes. 

The Shuttle was designed to reject heat through several means depending on the mission segment. On the 

launch pad and after the ground crew can make connections following landing, the ETCS rejects heat to ground facilities 
through the ground service equipment heat exchanger. On launch, re-entry, and when necessary on-orbit, the flash 
evaporator allows excess water to evaporate from the outside of the ETCS working fluid line, expelling the vapor, with 
its waste heat, to space. Upon re-entry, when the external atmospheric pressure is too great to operate the flash 
evaporator efficiently, the ammonia boiler evaporates anhydrous ammonia to cool the ETCS working fluid lines, again 
expelling the vapor to the environment. 

116

  The radiators, which are mounted on the inside of payload bay doors, reject 

heat by radiant transfer to space while the Shuttle is on-orbit. Shuttle controls the ETCS working fluid temperature from 
the radiators with a bypass loop as depicted. Varying internal flowrates or expendable fluid consumption rates controls 
the other heat rejection devices. 

Heat is gathered by the ETCS from many sites throughout the vehicle. Those listed as heat exchanger are 

liquid/liquid devices where the second operating fluid is the coolant for the attached hardware. The water/Freon 
interchanger is the common ITCS/ETCS heat exchanger, while the oxygen restrictor is a heat exchanger between the 
ETCS loop and the pressurized cabin oxygen supply. 

                                                           

116

  In practice, the ammonia boiler is rarely used as designed. Rather, just before the radiators are removed from service by closing 

the payload bay doors, the Shuttle flies an attitude so that the radiators face deep space. This maneuver fills the radiator panels 
with chilled Freon 21 and chills the metallic panels as well. Following this maneuver, the radiators are completely bypassed and 
the flash evaporator rejects the entire vehicle thermal load. When the flash evaporator ceases operations high in the atmosphere, 
flow through the now-stowed radiators is re-established, releasing the previously cooled working fluid. This approach provides 
sufficient cooling from when the flash evaporator ceases operations until about 15 minutes after touch down. If all proceeds on 
schedule, the ground-cooling cart that interfaces with the ground service equipment heat exchanger is operational by 15 minutes 
after touch down, and the ammonia boiler is not used. The ammonia boiler is provided on each mission as a contingency for heat 
rejection, and would provide primary cooling if the ground-cooling cart was not available in time or the Shuttle executed a 
launch abort. 

background image

 

 

73  

 

 

Figure 4.4.2  Active thermal control system hardware for the Shuttle Orbiter. This diagram represents one of two 

Freon 21 loops in the Shuttle Orbiter ETCS. Coolant flow is clockwise. Because the ETCS loops run 
through an unpressurized portion of the vehicle, the heat exchangers are integral with the devices they cool. 
The Water/Freon Interchanger and the Oxygen Restrictor are heat exchangers between the ITCS water loop 
and the pressurized cabin oxygen supply, respectively. The Accumulator maintains pressure within the flow 
loop. The Radiator, Ground Service Equipment Heat Exchanger, Ammonia Boiler, and Flash Evaporator 
are all heat rejection devices. 

4.4.3.1.2

 

I

NTERNATIONAL 

S

PACE 

S

TATION 

T

HERMAL 

M

ANAGEMENT

 

The external active thermal control system (EATCS) for ISS at Assembly Complete is very similar to the 

architectures presented above. The ISS EATCS uses single-phase, anhydrous liquid ammonia as its working fluid, 
although the corresponding ITCS uses water. The radiators are mounted on booms that connect to the P1 and S1 

117

 truss 

segments through a thermal radiator rotary joint (TRRJ). The TRRJs orient the radiator panels so that they display their 
thinnest face, their “edges,†to the Sun, allowing their radiant face-sheets to be exposed only to relatively cooler 
environments 

118

. While not depicted in Figure 4.4.3, many of the fine details are similar to those in earlier diagrams. 

                                                           

117

  The ISS truss segments are numbered in ascending order from the center of the vehicle. The S0, â€œstarboard zero,†truss segment 

forms the base for the other truss segments and connects directly to the other ISS modules through the U. S. Laboratory. The 
first starboard segment outboard of S0 is S1, while the first port segment outboard is P1, or â€œport one.†

118

  In rare situations, the TRRJs are not able to completely orient the radiator edges at the Sun, but this case is not common and 

only occurs for brief periods. 

background image

 

 

74  

 

 

Figure 4.4.3  Active thermal control system hardware for ISS at Assembly Complete. As noted by the arrows, ammonia 

flows from radiators to the common ITCS/EATCS heat exchanger then to the warmer thermal loads 
associated with electronics mounted on coldplates. Each Thermal Radiator Rotary Joint (TRRJ) rotates to 
position the radiator panels so that they face anti-Sun, or â€œedge-on†to the Sun. The bulk of the EATCS is 
located on truss segments S0, S1, and P1. 

4.4.3.2

 

Advanced Thermal Management Approaches 

There are many concepts to increase the efficiency of thermal management hardware. Several of the more 

common ideas are summarized in the paragraphs below. Please note, however, this is not an exhaustive discussion and 
other viable approaches exist. 

As noted above, the active thermal control system (ATCS) is the summation of both the ITCS and ETCS 

119

Further, dividing the ATCS into two loops when, physically, only one loop is required, adds inefficiency to the process 
of removing thermal loads from the vehicle even when there are benefits from this approach. An alternate approach 
employs only a single ATCS loop in place of each ITCS / ETCS combination. The working fluid requirements are more 
stringent because the working fluid may not be a significant hazard to the crew if leaked into the crew cabin, nor may it 
be overly susceptible to freezing when flowing through heat rejection equipment. While not employed currently, such 
systems are under development and the concept is mentioned here as background. 

Another possible advanced concept is a two-phase thermal management working fluid. Thermal management 

loops using single-phase working fluids rely on the heat capacity of the working fluid to accept and transport thermal 
loads. However, single-phase working fluids are limiting in practice because acquiring a thermal load raises the 
temperature of the working fluid, so hardware downstream must reject their thermal loads to a working fluid at a higher 
temperature than hardware upstream, and this concern can lead to other inefficiencies. Secondly, a single-phase working 
fluid generally can acquire less heat over its entire liquid temperature range than is required to change the phase of the 
same mass of working fluid from a liquid to a vapor. If the thermal management working fluid is allowed to vaporize as 
it acquires thermal loads, the working fluid remains at a constant temperature and actually less fluid mass is required to 
carry the same thermal load. Issues associated with two-phase flows under non-terrestrial gravitational fields remain as 
challenges to this approach so far. 

Heat pumps also offer promise as advanced thermal management technologies. While terrestrial heat pumps 

move heat either into or out of a volume, heat pumps as part of an advanced thermal management system move heat 
from the vehicle to the environment only. Specifically, heat pumps use work, either thermal or mechanical, to raise the 
temperature of waste heat loads so as to increase the ease of rejecting those loads by radiant heat transfer. While heat 
pumps add hardware and use power, the increased temperature of the heat load for radiant emission from the vehicle 
                                                           

119

  Or the “external active thermal control system†(EATCS) when using International Space Station nomenclature. 

background image

 

 

75  

 

decreases the required radiator size so that the overall system may be less massive than a thermal management system 
without a heat pump. 

4.4.4

 

Radiant Energy Balance 

Heat transfer is a broad topic and any in depth treatment is beyond the scope of this document. Reference a heat 

transfer text such as Incropera and DeWitt (1985) for a more complete introduction. However, several definitions and 
assumptions are common when analyzing radiant heat transfer for space applications within NASA. Except as 
specifically noted, the development below follows Incropera and DeWitt (1985). 

In general, heat emitted by a perfectly black body, q

bb

 [W], may be described by the Stefan-Boltzmann 

equation. 

q

bb

 = 

σ

 A T

4

 

Equation 4.4-1 

where 

σ

 is the Stefan-Boltzmann constant with a value of 5.67 

×

 10

 â€“8

 W/(m²

•

K

4

), A is the body’s surface area [m²], and 

T is the body’s absolute temperature [K]. A black body is a perfect emitter and its emittance is a function only of its 
temperature once its geometry is fixed. 

In practice, most real surfaces are not perfect emitters, and their surface emittance may be described as some 

fraction of the emittance from a perfectly black body. For a non-ideal body whose emittance fraction is constant, a 
slightly modified relation applies. 

q

e

 = 

σ

 

ε

 A T

4

 

Equation 4.4-2 

where q

e

 is emittance [W], and 

ε

 is the emissivity or the fraction of the surface’s actual emittance compared to its ideal or 

black body emittance at its current absolute temperature, T. Alternately, 

ε

 is unity only for an ideal or black body. 

As noted earlier, radiant exchange of thermal energy does not depend on intervening matter for transfer. Rather, 

radiant exchange is possible between any two surfaces with a view of each other. Physically, according to one theory, 
thermal energy transfers between the surfaces via electromagnetic waves. 

120

  According to classic physics, thermal 

radiation, which is a subset of a broader phenomenon know as electromagnetic radiation, varies between wavelengths of 
0.1 and 100 

µ

m. Visible light, according to the human eye, is confined to a range varying from 0.40 to 0.70 

µ

m. In 

addition to visible radiation, classic physics defines thermal radiation at wavelengths less than 0.40 

µ

m is also ultraviolet 

radiation, and thermal radiation at wavelengths greater than 0.70 

µ

m is also infrared radiation. As context, 

electromagnetic radiation at wavelengths less than 0.1 

µ

m is classified, depending on its wavelength, as ultraviolet 

radiation 

121

, x-rays, or gamma rays. Electromagnetic radiation at wavelengths immediately greater than 100 

µ

m is 

classified as microwaves. 

When thermal radiation strikes a solid object, it may be absorbed, reflected from the surface, or transmitted 

through the object. If the surface is opaque to the incident radiation, transmittance is zero and only absorbance or 
reflectance is possible. 

α

 + 

Ï

 = 1 

Equation 4.4-3 

where 

α

 is the absorptivity and 

Ï

 is the reflectivity. For an ideal or black body, reflectivity is zero and absorptivity is 

unity. 

At any given wavelength, 

λ

, according to Kirchhoff’s Law, absorptivity and emissivity are equal for a particular 

surface if (1) the incident irradiation is invariant with respect to direction, or diffuse, and (2) the surface properties are 
invariant with respect to direction, or diffuse. 

α

λ

 = 

ε

λ

  

Equation 4.4-4 

Additionally, if (3) the incident irradiation is diffuse and if (4) the surface properties, the absorptivity and 

emissivity, are independent of wavelength, 

λ

, the surface is called a gray surface. 

                                                           

120

  Alternate theories describe the transfer via photons or quanta, but the image of an electromagnetic wave is most applicable to 

the current discussion. 

121

  Ultraviolet radiation varies from 0.01 to 0.40 

µ

m, and so overlaps the range classified as thermal radiation. 

background image

 

 

76  

 

α

 = 

ε

  

Equation 4.4-5 

While most real surfaces do not abide by this final requirement to qualify as gray surfaces, many are effectively 

gray over some subset of the range of thermal radiation. At Johnson Space Center, two thermal radiation sub ranges are 
often defined for radiant transfer calculations (Conger and Clark, 1997). Thermal irradiation between 0.25 

µ

m and 

2.5 

µ

m, inclusive, is designated as solar thermal radiation (AZ Technology, 1993), while thermal irradiation above 

2.5 

µ

m is designated as infrared thermal radiation. Over each of these sub ranges, material surface properties are 

assumed gray. 

α

s

 = 

ε

s

  

α

ir

 = 

ε

ir

  

Equation 4.4-6 

where the subscript “s†denotes surface properties over the range of solar thermal radiation and the subscript “ir†denotes 
surface properties over the range of infrared thermal radiation. This does not imply that 

α

s

 equals 

α

ir

 or that 

ε

s

 is equal to 

ε

ir

. This approach effectively considers Equation 4.4-5 applicable in a piecewise manner over two sub ranges for thermal 

radiation. 

Physically, except during re-entry or similar operations with extremely high aerodynamic drag, the surface 

temperatures of spacecraft in space do not approach the range where surfaces emit in the solar range. So, surface 
emissions from spacecraft, planetary surfaces, and other non-glowing physical bodies have surface properties as defined 
by the second relation in Equation 4.4-6. Irradiation coming from the Sun, or reflected irradiation that originated from 
the Sun, however, emit in the solar range. Because of this, incident or reflected irradiation from the Sun uses surface 
properties as defined by the first relation in Equation 4.4-6. 

From the perspective of a spacecraft, which emits infrared thermal radiation but likewise absorbs incident solar 

thermal radiation, it is meaningful to define the 

ε

ir

, for both infrared thermal emittance and absorptivity, and 

α

s

, for solar 

thermal absorptivity. 

4.4.5

 

Thermal Management Values 

This section provides values necessary to estimate heat transfer both within a spacecraft and between a 

spacecraft and its environment. Thermal exchange with the environment is more correctly identified as Cooling, but to 
ease use of this material, all similar values are grouped below. In fact, many values below may apply both to thermal 
management within a spacecraft as well as to heat rejection from the spacecraft. 

Table 4.1.1 presents solar absorptivities and infrared emissivities for several common aerospace structural 

materials. The end-of-life properties reflect changes associated with external usage in near-Earth space and are not 
applicable within the crew cabin. While surfaces within the crew cabin certainly wear, aging mechanisms differ from 
those in the vacuum of space or even on the Martian surface. Accordingly, as a first approximation, emissivities for new 
materials apply even for a used interior. 

Within the crew cabin, thermal considerations are dictated by two concerns. The first is crew comfort and 

maintaining equipment within its thermal bounds. The second concern is to maintain humidity within an acceptable 
range. If the overall cabin atmospheric temperature drops below the local dew-point temperature, allowing water vapor 
to condense. Because liquid water poses a significant hazard to electronics especially in weightless situations, 
maintaining cabin atmospheric and humidity within prescribed limits is important.  

Table 4.4.2 presents applicable thermal limits from current ALS requirements (Duffield, 2003). 

background image

 

 

77  

 

Table 4.4.1 

Surface Optical Properties for Common Exterior Space Material 

 New 

End-of-Life 

122

 

 

Material 

α

s

 

ε

ir

 

α

s

 

ε

ir

 

References 

Silverized 

Teflon 

0.07 0.80 0.14 0.80 

Aluminized 

Teflon 

0.12 0.80 0.20 0.80 

Ortho Fabric 

123

 

0.18 0.84   

 

Beta Cloth 

0.26 

0.90 

 

 

A276 

White 

Paint 

0.28 0.87 0.36 0.90 

Clear 

Anodized 

Aluminum 

0.38 0.83 0.58 0.79 

Gold 

Anodized 

Aluminum 

0.55 0.81 0.63 0.81 

Black 

Anodized 

Aluminum 

0.81 0.88 0.84 0.79 

Alodine Aluminum 

0.45 

0.35 

 

 

Bare Stainless Steel 

0.42 

0.11 

 

 

Sand-Blasted Stainless Steel 

0.58 

0.38 

 

 

Bare Titanium 

0.52 

0.12 

 

 

Tiodized Titanium 

0.82 

0.51 

 

 

From Conger and Clark 
(1997) unless otherwise 
noted. 

 

Table 4.4.2 

Crew Cabin Thermal Ranges 

  

Assumptions 

 

Parameter Units 

Lower 

Nominal Upper 

References 

Air Temperature 

124

 

K 291.5  

299.8 

Dew-Point Temperature 

277.6 

 

288.7 

Relative Humidity 

25 

 

70 

Ventilation m/s 

0.076 

 

0.347 

From Duffield (2003) 
unless otherwise noted

 

Transport properties for several common thermal management working fluids are tabulated in Table 4.4.3 at 

likely operating temperatures. These values support basic thermal loop energy balances. 

 

                                                           

122

  These values apply to external applications only because aging and wear mechanisms within the crew cabin differ considerably 

from external aging and wear mechanisms. As a first approximation, surface properties for materials within the crew cabin do 
not change with time. 

123

  The exterior fabric on the EMU. 

124

  The cabin â€œdry bulb†atmospheric temperature. 

background image

 

 

78 

 

 

Table 4.4.3 

Transport Properties for Common Thermal Management Loop Working Fluids 

 

 

Temperature = 280.0 K 

Temperature = 297.0 K 

Temperature = 300.0 K 

 

Fluid Hazards 

Density 

[kg/m³] 

Specific 

Heat 

[kJ/kg

•

K]

Viscosity 

[kg/m

•

s]

Density 

[kg/m³] 

Specific 

Heat 

[kJ/kg

•

K]

Viscosity 

[kg/m

•

s] 

Density 

[kg/m³] 

Specific 

Heat 

[kJ/kg

•

K]

Viscosity 

[kg/m

•

s]

References 

Water 

 

1,002.08

4.204 0.00148 

 

 

 

998.35

4.187 0.00083 

30 % Ethylene 
Glycol/70 % Water 

Irritant  1,042.15

3.741 0.00311 

 

 

 

1,033.34

3.788 0.00176 

60 % Ethylene 
Glycol/40 % Water 

Irritant  1,083.84

3.130 0.00796 

 

 

 

1,071.70

3.216 0.00417 

30 % Propylene 
Glycol/70 % Water 

 

1,027.79

3.800 0.00542 

 

 

 

1,018.36

3.861 0.00212 

60 % Propylene 
Glycol/40 % Water 

 

1,050.18

3.264 0.02090 

 

 

 

1,036.12

3.369 0.00710 

30 % Glycerin 
/70 % Water 

 

     1,072 3.656 

0.00223      

60 % Glycerin 
/40 % Water 

 

     1,147 3.176 

0.00819      

Potassium 
Acetate/Water 

 

     1,196 3.300 

0.00270      

Fluorinert 

72 

 

1,722.12

1.025 0.00117 

 

 

 

1,669.92

1.056 0.00092 

Hydrofluoroether 
HFE-7100 

 

1,522.76

1.147 0.00088 

 

 

 

1,477.38

1.187 0.00071 

Ammonia 

(liquid) 

Toxic 

628.20

4.679 0.000232

 

 

 

600.46

4.854 0.00021 

D Limonene 

Flammable 

    

847.5 

2.05 

0.00091      

From Schoppa (1997) unless 
noted otherwise.

 

background image

 

 

79 

 

 

Table 4.4.4 and Table 4.4.5 provide appropriate thermodynamic values to compute energy balances of 

phase-change materials for representative materials. Of the materials available, both here and more generally, water 
requires the greatest heat input for the least mass and is the “best†phase-change material available (although the 
temperatures at which it transitions from one phase to the next sometimes prohibits its use.) While the temperature at 
which a liquid boils varies directly with pressure, melting point temperatures are effectively invariant with pressure 
for applications likely to see use in spaceflight. 

Table 4.4.4 

Thermodynamic Properties of Common Thermal Management Phase-Change Materials  

for Liquid-Vapor Transitions 

Material Formula 

Liquid 

Density 

[kg/m³] 

Saturation 

Pressure 

[kPa] 

Saturation 

Temper-

ature 

[K] 

Heat of 

Vapori-

zation 

[kJ/kg] 

Reference 

Ammonia NH

3

 702.2

 (1)

 40.7

 (1)

 223.2

 (1)

 1,425.8

 (1)

 

  

690.1

 (1)

 71.6

 (1)

 233.2

 (1)

 1,392.5

 (1)

 

  

677.5

 (1)

 119.5

 (1)

 243.2

 (1)

 1,361.1

 (1)

 

Water H

2

O 1,000

 (1)

 0.61

 (1)

 273.2

 (1)

 2,500.0

 (1)

 

 

 

1,000

 (1)

 1.23

 (1)

 283.2

 (1)

 2,478.4

 (1)

 

 

 

998

 (1)

 2.34

 (1)

 293.2

 (1)

 2,455.0

 (1)

 

(1)

 

Howell and Buckius 
(1987)

 

 

Table 4.4.5 

Thermodynamic Properties of Common Thermal Management Phase-Change Materials  

for Solid-Liquid Transitions 

Material Formula 

Solid 

Density 

[kg/m³] 

Liquid 

Density 
at 20°C 

[kg/m³] 

Melting 

Temper-

ature 

[K] 

Heat of 

Fusion 

[kJ/kg] 

References 

Water H

2

O 920

 (1)

 998

 (2)

 273.2

 (3)

 333.5

 (3)

 

Waxes (Paraffin)   

 

 

 

 

n-Dodecane C

12

H

26

  

748.7

 (3)

263.6

 (4)

 210.5

 (4)

 

n-Tetradecane C

14

H

30

  

762.8

 (3)

279.1

 (4)

 229.9

 (4)

 

n-Hexadecane C

16

H

34

  

773.3

 (3)

291.4

 (4)

 228.9

 (4)

 

n-Octadecane 

125

  C

18

H

38

  

776.8

 (3)

301.4

 (4)

 243.5

 (4)

 

(1)

 

Incropera and DeWitt 
(1985) 

(2)

 

Howell and Buckius 
(1987) 

(3)

 

Weast and Astle (1979) 

(4)

 

Humphries and Griggs 
(1977)

 

4.5

 

Waste Subsystem 

The Waste Subsystem collects waste materials from life support subsystems and interfaces. Commonly, 

wastes are perceived as materials with no further utility. However, because ALS focuses on increased material loop 
closure, “wastes†encompass a variety of materials with varying degrees of possible future utility. Wastes might 
include crew metabolic wastes, food packaging, wasted food, paper, tape, soiled clothing, brines, inedible biomass, 
expended hygiene supplies, and equipment replacement parts from the other subsystems. The traditional definition 
of a waste within ALS and within this document excludes most gases, depending on the system configuration. For 
example, crew-expelled carbon dioxide might not be recycled within a given life support system architecture. In 
such a case, although carbon dioxide is technically a waste material, the Air Subsystem typically assumes the 
responsibility for waste gases. However, the Waste Subsystem might ultimately collect the expended carbon dioxide 
scrubbing materials and trapped gases if those gases are not vented. To further complicate subsystem definitions, a 
waste-processing device might incorporate trace contaminant control hardware which is usually an Air Subsystem 
function, to control the release of potentially harmful gases. Further information related to waste types and 
characteristics is included below. 
                                                           

125

  The liquid density for n-octadecane is evaluated at 28°C. 

background image

 

 

80 

 

 

Wastes sent to the Waste Subsystem may be handled in many ways. Wastes accepted by the Waste 

Subsystem may be collected and stored, prepared for long-term storage, processed to recover resources, processed to 
render them safe for disposal, and/or disposed of, depending on the mission-specific requirements and constraints. 
The mission requirements and constraints consider cost, safety, planetary protection if applicable, integration with 
other subsystems, resource recovery, and any other pertinent issues defined for a specific vehicle. 

Current NASA spacecraft waste-handling approaches essentially rely on dumping and storage. On Shuttle 

missions, most waste is stored and returned to Earth with little or no processing. Consequently, the volume of wastes 
can be significant. Waste processing on Shuttle includes drying fecal material by exposure to the vacuum of space. 
Waste from ISS is returned to Earth either via a controlled re-entry aboard the Shuttle, either in the orbiter mid-deck 
or within a multi-purpose logistics module in the payload bay, or aboard Progress cargo modules. If the wastes are 
removed from ISS using a Progress module, they are incinerated along with the vehicle during destructive re-entry. 
Wastewater, excess fuel cell product water, urine, and condensate are dumped, as necessary, from Shuttle according 
to the mission schedule. 

In future long-duration missions, wastes may be disposed directly, or they may be processed. For example, 

during transit to Mars, jettisoning trash might be acceptable, though waste might be retained for radiation shielding 
or resource recovery. However, jettisoning waste on the Martian surface may be constrained by planetary protection 
protocols for exploration missions. Organic materials and microbial agents could threaten to biologically 
contaminate the Martian environment. Wastes may be processed to recover useful resources, such as water and 
carbon dioxide. Wastes might also be processed in preparation for long-term storage or disposal, for example, 
microbial inactivation/elimination. Specific waste processing operations depend upon the mission scenario and the 
system-level costs versus the system-level benefits. 

4.5.1

 

Historical Data on Skylab 

The first NASA medium-duration missions were performed aboard Skylab. Prior to Skylab, the longest 

duration missions were Gemini 7, 14 days, and Apollo 17, 13 days. Within the Gemini and Apollo programs, wastes 
were either returned to Earth in the vehicle, or dumped, most notably on the Lunar surface. On Skylab, the Saturn 
S-IVB 

126

 oxygen tank was used for waste disposal. The tank was vented to space through non-propulsive vents. 

Wastes were placed in the tank through an airlock and off gassed to space. This eliminated the possibility of 
contamination of the crew areas through off-gassing and stored the wastes in a safe manner for an indefinite time. 
However, off-gassing may have contaminated the Skylab’s exterior surfaces. 

4.5.2

 

Historical Waste Loads from Shuttle Missions 

On Shuttle missions, waste is contained and stowed for return to Earth in either “dry†trash bags, or in the 

volume F “wet†trash. 

127

  Waste stream characterization and water content studies have been performed for each of 

six Shuttle missions: STS-29, STS-30, STS-35, STS-51D, STS-99, and STS-101. The waste analyses for STS-29 
through STS-51D were conducted to improve solid waste management for the Shuttle program. The waste analyses 
for STS-99 and STS-101 provided data to develop a waste model to support the Waste Subsystem analysis within 
the ALS Project. 

In 1985, wastes for STS-51D were analyzed at NASA Ames Research Center to determine the chemical 

composition of wastes and characterize the trash (Wydeven and Golub, 1991). This study found that for 49.2 kg of 
total waste, 27.8 kg was food-related trash. Approximately 22 %, or 10.8 kg, of the trash recovered was comprised 
of food-related plastic packaging materials. Another 12.2 kg of other plastics and paper brought the total for 
packaging materials within the trash to almost 47 %. These data are presented in Table 4.5.1 and summarized in 
Table 4.5.2. STS-51D supported seven crewmembers for seven days, 

128

 which is equivalent to 49 CM-d. 

                                                           

126

  The Skylab space station was fabricated from a modified Saturn S-IVB rocket stage. 

127

  Shuttle stores trash generated within the vehicle itself in plastic bags or liners that are housed within designated storage 

areas on the middeck. Volume F is one such trash storage cabinet. 

128

  Officially, the mission duration for STS-51D is six days, 23 hours, 55 minutes, and 23 seconds. 

See http://www-pao.ksc.nasa.gov/kscpao/chron/sts51-d.htm 

background image

 

 

81 

 

 

Table 4.5.1 

Waste Analysis for STS-51D Trash 

Trash Item 

Mass 

[kg] 

Moisture 

Content 

[%] 

Fraction of 
Total Mass

[%] 

Reference 

Food and Food Packaging 

 

 

 

Plate Waste 

4.8 

70 

9.8 

Plastic Food Containers 

10.8 

0.2 

22.0 

Uneaten Food and Beverages 

129

 

12.2 0.2  24.7 

Biomedical 6.4 

 

13.0 

Aluminum and Tape 

 

 

 

Grey Duct Tape 

1.6 

 

3.3 

Aluminum Cans 

1.2 

2.4 

Plastic and Paper 

 

 

 

Paper (mixed) 

6.4 

10.2 

13.0 

Plastic Bags 

3.2 

0.2 

6.5 

Miscellaneous Plastic 

2.6 

0.2 

5.3 

Total 49.2 

 

100.0 

Wydeven and Golub 
(1991)

 

Storage of wastes on-orbit during early Shuttle missions of 30 CM-d or less posed no challenge for the 

allotted resources of the Obiter vehicle. However, as Shuttle missions lengthen for Extended Duration Orbiter of 
112 CM-d or more, the volume allocated is inadequate for the safe stowage of trash. Research to determine future 
waste stowage requirements for Shuttle missions was initiated in 1989 by the Personal Hygiene and Housekeeping 
Laboratory at Johnson Space Center. The study objectives were to determine the mass and volume of waste 
generated per crewmember per day, and the amount of liquid stored in trash per crewmember per day (Grounds, 
1990). Trash from Shuttle missions STS-29 (Garcia, 1989), STS-30 (Garcia, 1989), and STS-35 were analyzed. 
STS-35 differed from the two previous missions because STS-35 used pouches, not boxes, for beverages, and 
carried a prototype trash compactor (Grounds, 1990). Subsequently, there is a marked decrease in the volume of 
trash from STS-35 compared with the previous missions, probably in large part due to the change in drink 
packaging. This reduction in volume was consistent with data collected for STS-99 and STS-101 (Maxwell, 2000a 
and 2000b). The data from these missions are summarized in Table 4.5.2. 

Not included in the trash data for Shuttle missions are dirty laundry or life support expendables, such as 

filters, that return to Earth separately from the trash. STS-101 generated ~50 kg of dirty laundry, consisting of 
clothing and towels, occupying ~0.5 m³ (Maxwell, 2000b). Laundry returns to Earth in a mesh laundry bag. Storage, 
stabilization, and odor control for laundry, some of it wet, will require dedicated facilities on longer duration 
missions if no change is made to the current storage process. No data were available on life support system 
expendables for STS-101. 

Table 4.5.2 summarizes waste stream analyses completed for STS-99 and STS-101, as well as historical 

data from STS-29, STS-30, and STS-51D. 

                                                           

129

  This value corresponds to food and drink food packages that were never opened. 

background image

 

 

82 

 

 

Table 4.5.2 

Shuttle Crew Provision Wastes from Past Missions 

  

 

Trash 

(Solids) 

 

Water 

 

Mission 

Duration 

[CM-d] 

 

[kg 

/CM-d] 

[m

3

 

/CM-d] 

 

[kg 

/CM-d] 

Percent of 

Total Trash 

(by mass)

[%] 

References 

STS-29 

(1)

 25 

 

1.49 

0.0139 

 

0.345 27.35 

STS-30 

(1)

 20 

 

1.63 

0.0133 

 

0.417 35.35 

STS-35 

(2)

 63 

 

1.14 

0.0067 

 

0.218 26.80 

STS-51D 

(3)

 49  1.01     0.096  9.61 

STS-99 

(4)

 66 

 

1.47 

0.0029 

 

0.290 19.75 

STS-101 

(5)

 63  1.62 0.0041 

 0.439  27.09 

Average 48 

 

1.39 

0.0082 

 

0.301 

24.33 

(1)

 

Garcia (1989) 

(2)

 

Grounds (1990) 

(3)

 

Wydeven and Golub 
(1991) 

(4)

 

Maxwell (2000a) 

(5)

 

Maxwell (2000b)

 

4.5.3

 

Solid Waste Management for the International Space Station Mission 

While limited containment and stowage planning is acceptable for Shuttle, with a 90-day resupply 

schedule, ISS may benefit from more robust containment options, additional dedicated storage compartments, and 
resource recovery plans to reduce mission costs. 

ISS solid waste management today is similar to that for 

Mir

. Wastes are contained either in metal 

containers, for human wastes, or plastic bags, for crew provision and housekeeping wastes. Filled containers are 
returned to Earth either by Progress, which incinerates upon re-entry, or within Shuttle on the middeck or in a multi-
purpose logistics module in the orbiter payload bay. Planned additions to the ISS waste processing hardware include 
only a urine processor scheduled for late in the assembly sequence. 

Calculated overall waste generation rates, according to the life support subsystem and external interface 

categories, using data from ISS human missions through Expedition 3, are provided in Table 4.5.3 (for reference 
missions associated with ISS) and Table 4.5.4 (for reference missions associated with near-term exploration 
missions to Mars using the Mars Dual Lander Architecture). Stafford, et al. (2001) details the assumed reference 
missions. Some data here are inferred, such as air filters. These tables present generation of storable or disposable 
wastes based on the assumed configurations. A common list of hardware is used for all vehicles. In cases where 
particular hardware is not part of the configuration for a specific reference mission, the location within the table is 
marked with an â€œ

2

.† When hardware is present, but a storable or disposable waste is not produced, a â€œ

5

â€appears. 

When hardware is present and a storable or disposable waste is produced, a rate, in terms of mass per crewmember 
per day, is listed. These tables list only wastes delivered from the hardware or elements for disposal or storage listed, 
including any containers. Thus, wastes should not be counted more than once. 

The technology suite for segments or vehicles in Table 4.5.3 and Table 4.5.4 are denoted by prefixes. 

Vehicles or segments with a prefix of “ISS†assume a hardware suite using primarily technologies listed in 
Carrasquillo, et al. (1997) for ISS. Vehicles or segments with a prefix of “ALS†use advanced and current 
technologies, as appropriate. Segments listed as Russian On-Orbit Segments of ISS use Russian ISS hardware and 
are provided as a reference. See Stafford, et al. (2001) for details. 

Possible types of waste are virtually unbounded, so Table 4.5.3 and Table 4.5.4 do not encompass all 

possible types of waste within a space mission. Further, the waste types are organized according to the subsystems 
and external interfaces defined in Section 2.4 and detailed in Stafford, et al. (2001). The configurations are not 
unique, nor are they necessarily complete. However, they provide a documented baseline. 

The crew contribution to the waste stream can enter more than one subsystem or interface. For example, the 

crew respiration and perspiration load is first received by the life support system within the Air Subsystem, in the 
form of water vapor, or by the Human Accommodations Interface on the clothing or as the result of crew hygiene 
maintenance such as bathing. Consequently, it is difficult to account for all crew-generated wastes when they are 
divided between, and applied to, various subsystems and interfaces, and even more difficult to calculate percentages 
accepted by those subsystems and interfaces. 
 

background image

 

References: 

(1)

 Jones (2000); 

(2)

 Wieland (1998a and 1998b); 

(3)

 Flynn (2003); 

(4)

 Carrasquillo, et al. (1997); 

(5)

 This current document; 

(6)

 Lange (1998); 

(7)

 Lin (1998).

 

 

83 

 

 

Table 4.5.3 

International Space Station Reference Mission Vehicle Wastes 

 Assumptions 

[kg/CM-d] 

 

Component 

Russian 

On-Orbit 

Segment, 

Phase 2 

Russian 

On-Orbit 

Segment, 

Phase 3 

ISS 

United 

States 

On-Orbit 

Segment, 

Phase 3 

ALS 

United 

States 

On-Orbit 

Segment, 

Post-

Phase 2 

ALS 

United 

States 

On-Orbit 

Segment, 

Phase 3 

Notes 

Waste 

Subsystem 

Hardware 

      

Compactor 

2

 

2

 

5

 

5

 

5

 

Compactors reduce waste volume and waste storage 
containment mass 

Commode 

5

 

5

 

5

 

5

 

5

 

 

Dryer 

2

 

2

 

2

 

2

 

5

 

 

Fecal Storage 

0.50

 (1)

 0.50

 (1)

 0.50

 (1)

 0.50

 (1)

 0.13

 (1)

 

This entry includes the Russian KBO (Russian solid 
waste container). Usage is based on mass of waste. 
Mass of waste depends on moisture content, which 
varies between options. 

Lyophilization 

2

 

2

 

2

 

2

 

2

 

This technology yields a dry, stable solid waste and a 
separate greywater component. 

Solid Waste Storage 

5

 

5

 

5

 

5

 

5

 

 

Urinal 

5

 

5

 

5

 

5

 

5

 

 

Urine Pretreatment 

0.04

 (2)

 0.04

 (2)

 0.01

 (2)

 0.01

 (2)

 

2

 (3)

 

This entry reflects chemical pretreatment, whether 
Russian or U.S. This is the mass of chemicals only. 

Subtotal 

0.54 0.54 0.51 0.51 0.13 

 

background image

 

References: 

(1)

 Jones (2000); 

(2)

 Wieland (1998a and 1998b); 

(3)

 Flynn (2003); 

(4)

 Carrasquillo, et al. (1997); 

(5)

 This current document; 

(6)

 Lange (1998); 

(7)

 Lin (1998).

 

 

84 

 

 

Table 4.5.3 

International Space Station Reference Mission Vehicle Wastes (continued) 

 Assumptions 

[kg/CM-d] 

 

Component 

Russian 

On-Orbit 

Segment, 

Phase 2 

Russian 

On-Orbit 

Segment, 

Phase 3 

ISS 

United 

States 

On-Orbit 

Segment, 

Phase 3 

ALS 

United 

States 

On-Orbit 

Segment, 

Post-

Phase 2 

ALS 

United 

States 

On-Orbit 

Segment, 

Phase 3 

Notes 

Waste 

Subsystem 

Interfaces 

      

Air Subsystem 

0.13

 (4)

 0.13

 (4)

 0.13

 (4)

 0.13

 (4)

 0.13

 (4)

 

Based on ISS data at Assembly Complete. Reflects 
spares for the Air Subsystem. 

Biomass 

Subsystem        

Inedible Biomass 

2

 

2

 

2

 

2

 

2

 

 

EVA Support External Interface 
Wastes 

0.02

 (5)

 0.02

 (5)

 0.02

 (5)

 0.02

 (5)

 0.02

 (5)

 

The difference in values reflects variations in EVA 
workload. 

Food Subsystem Wastes 

0.32

 (5)

 0.32

 (5)

 0.32

 (5)

 0.32

 (5)

 0.28

 (5)

 

Assumption: Biomass production reduces prepackaged 
food mass slightly. 

Human Accommodations External Interface Wastes 

 

 

 

 

Expended Clothing 

0.82

 (5)

 0.82

 (5)

 0.82

 (5)

 0.82

 (5)

 0.02

 (5)

 

Clothing mass reduced by a factor of 40 with laundry. 
Assumption: 50% initial water content. 

Hygiene Wipes 

0.23

 (5)

 0.23

 (5)

 0.23

 (5)

 0.23

 (5)

 0.15

 (5)

 

 

Thermal Subsystem Wastes 

0.03

 (4)

 0.03

 (4)

 0.03

 (4)

 0.03

 (4)

 0.03

 (4)

 

Based on ISS data for Assembly Complete. 

Waste Subsystem to Environment 

 

 

 

 

 

Urine to Earth 

1.83

 (1)

 0.16

 (1)

 

2

 

2

 

2

 

Assumption: Stowage in EDV. 

Solid Waste to Earth 

5

 

5

 

5

 

5

 

5

 

 

Vacuum Vent (Lyophilizer) 

2

 

2

 

2

 

2

 

2

 

Mass losses for Air and Water to be determined. 

Subtotal 

3.38 1.71 1.55 1.55 0.63 

 

background image

 

References: 

(1)

 Jones (2000); 

(2)

 Wieland (1998a and 1998b); 

(3)

 Flynn (2003); 

(4)

 Carrasquillo, et al. (1997); 

(5)

 This current document; 

(6)

 Lange (1998); 

(7)

 Lin (1998).

 

 

85 

 

 

Table 4.5.3 

International Space Station Reference Mission Vehicle Wastes (concluded) 

 Assumptions 

[kg/CM-d] 

 

Component 

Russian 

On-Orbit 

Segment, 

Phase 2 

Russian 

On-Orbit 

Segment, 

Phase 3 

ISS 

United 

States 

On-Orbit 

Segment, 

Phase 3 

ALS 

United 

States 

On-Orbit 

Segment, 

Post-

Phase 2 

ALS 

United 

States 

On-Orbit 

Segment, 

Phase 3 

Notes 

Water Subsystem 

 

 

 

 

 

 

Air Evaporator Wicks 

2

 

2

 

2

 

0.08

 (6)

 0.04

 (6)

 

This value includes air evaporator wicks and urine 
solids. Assumption: Cases with a biological water 
processor are 50% less massive. 

Flush Water 

0.00

 (2)

 0.00

 (2)

 0.00

 (2)

 0.00

 (2)

 0.00

 (2)

 

None identified to date. 

Greywater from Dryer to 
Water Subsystem 

2

 

2

 

2

 

2

 

 

 

Urine Processing System Brine 
to Waste Subsystem 

2

 

5

 

5

 

2

 

2

 

 

Urine to Water Subsystem 

2

 

5

 

5

 

5

 

5

 

 

Urine Processor 

2

 

5

 

0.33

 (1,7)

 

5

 

5

 

This entry based on vapor compression distillation 
performance. Brine is stored in an EDV (Russian 
wastewater container). 

Water Processor Spares 

0.33

 (4)

 0.33

 (4)

 0.33

 (4)

 

TBD TBD  

Miscellaneous 0.89

 (5)

 0.89

 (5)

 0.89

 (5)

 0.89

 (5)

 0.89

 (5)

 

Based on ISS data for Assembly Complete. 

Subtotal 

1.22 1.22 1.55 0.97 0.93 

 

Overall 

Total 

5.14 3.47 3.61 3.03 1.69 

 

 

background image

 

References: 

(1)

 Jones (2000); 

(2)

 Wieland (1998a and 1998b); 

(3)

 Flynn (2003); 

(4)

 Carrasquillo, et al. (1997); 

(5)

 This current document; 

(6)

 Lange (1998); 

(7)

 Lin (1998).

 

 

86 

 

 

Table 4.5.4 

Advanced Mars Exploration Reference Mission Vehicle Wastes 

 Assumptions 

[kg/CM-d] 

 

Component 

ISS 

Mars 

Transit 
Vehicle 

ISS 

Surface 
Habitat 

Lander 

ISS 

Mars 

Decent 

/ Ascent 

Lander 

ALS 

Mars 

Transit 
Vehicle 

ALS 

Surface 
Habitat 

Lander 

Notes 

Waste 

Subsystem 

Hardware 

     

 

Compactor 

5

 

5

 

2

 

5

 

5

 

Compactors reduce waste volume and waste storage 
containment mass 

Commode 

5

 

5

 

5

 

5

 

5

 

 

Dryer 

2

 

2

 

2

 

2

 

5

 

 

Fecal Storage 

0.50

 (1)

 0.50

 (1)

 0.50

 (1)

 0.50

 (1)

 0.13

 (1)

 

This entry includes the Russian KBO (Russian solid 
waste container). Usage is based on mass of waste. 
Mass of waste depends on moisture content, which 
varies between options. 

Lyophilization 

2

 

2

 

2

 

2

 

5

 

This technology yields a dry, stable solid waste and a 
separate greywater component. 

Solid Waste Storage 

5

 

5

 

5

 

5

 

5

 

 

Urinal 

5

 

5

 

5

 

5

 

5

 

 

Urine Pretreatment 

0.01

 (2)

 0.01

 (2)

 0.01

 (2)

 0.01

 (2)

 

2

 (3)

 

This entry reflects chemical pretreatment, whether 
Russian or U.S. This is the mass of pretreatment 
chemicals only. 

Subtotal 

0.51 0.51 0.51 0.51 0.13 

 

background image

 

References: 

(1)

 Jones (2000); 

(2)

 Wieland (1998a and 1998b); 

(3)

 Flynn (2003); 

(4)

 Carrasquillo, et al. (1997); 

(5)

 This current document; 

(6)

 Lange (1998); 

(7)

 Lin (1998).

 

 

87 

 

 

Table 4.5.4 

Advanced Mars Exploration Reference Mission Vehicle Wastes (continued) 

 Assumptions 

[kg/CM-d] 

 

Component 

ISS 

Mars 

Transit 
Vehicle 

ISS 

Surface 
Habitat 

Lander 

ISS 

Mars 

Decent 

/ Ascent 

Lander 

ALS 

Mars 

Transit 
Vehicle 

ALS 

Surface 
Habitat 

Lander 

Notes 

Waste 

Subsystem 

Interfaces 

     

 

Air Subsystem 

0.13

 (4)

 0.13

 (4)

 0.13

 (4)

 0.13

 (4)

 0.13

 (4)

 

Based on ISS data at Assembly Complete. Reflects 
spares for the Air Subsystem. 

Biomass 

Subsystem        

Inedible Biomass 

2

 

2

 

2

 

0.01 0.01 

Estimates assume 1 m² of growing area producing 
0.1 kg/d fresh biomass with at 90% harvest index and 
90% moisture content. 

EVA Support External Interface 
Wastes 

2

 

0.25

 (5)

 0.25

 (5)

 

2

 

0.25

 (5)

 

The difference in values reflects variations in EVA 
workload. 

Food Subsystem Wastes 

0.32

 (5)

 0.32

 (5)

 0.32

 (5)

 0.32

 (5)

 0.28

 (5)

 

Assumption: Biomass production reduces prepackaged 
food mass slightly. 

Human Accommodations External Interface Wastes 

 

 

 

 

Expended Clothing 

0.82

 (5)

 0.82

 (5)

 0.82

 (5)

 0.02

 (5)

 0.02

 (5)

 

Clothing mass reduced by a factor of 40 with laundry. 
Assumption: 50% initial water content. 

Hygiene Wipes 

0.23

 (5)

 0.23

 (5)

 0.23

 (5)

 0.23

 (5)

 0.15

 (5)

 

 

Thermal Subsystem Wastes 

0.03

 (4)

 0.03

 (4)

 0.03

 (4)

 0.03

 (4)

 0.03

 (4)

 

Based on ISS data for Assembly Complete. 

Waste Subsystem to Environment 

 

 

 

 

 

Urine to Earth 

2

 

2

 

2

 

2

 

2

 

Assumption: Stowage in EDV. 

Solid Waste to Earth 

2

 

2

 

2

 

2

 

2

 

 

Vacuum Vent (Lyophilizer) 

2

 

2

 

2

 

2

 

5

 

Mass losses for Air and Water to be determined. 

Subtotal 

1.53 1.78 1.78 0.74 0.87 

 

background image

 

References: 

(1)

 Jones (2000); 

(2)

 Wieland (1998a and 1998b); 

(3)

 Flynn (2003); 

(4)

 Carrasquillo, et al. (1997); 

(5)

 This current document; 

(6)

 Lange (1998); 

(7)

 Lin (1998).

 

 

88 

 

 

Table 4.5.4 

Advanced Mars Exploration Reference Mission Vehicle Wastes (concluded) 

 Assumptions 

[kg/CM-d] 

 

Component 

ISS 

Mars 

Transit 
Vehicle 

ISS 

Surface 
Habitat 

Lander 

ISS 

Mars 

Decent 

/ Ascent 

Lander 

ALS 

Mars 

Transit 
Vehicle 

ALS 

Surface 
Habitat 

Lander 

Notes 

Water Subsystem 

 

 

 

 

 

 

Air Evaporator Wicks 

2

 

2

 

2

 

0.08

 (6)

 0.04

 (6)

 

This value includes air evaporator wicks and urine 
solids. Assumption: Cases with a biological water 
processor are 50% less massive. 

Flush Water 

0.00

 (2)

 0.00

 (2)

 0.00

 (2)

 0.00

 (2)

 0.00

 (2)

 

None identified to date. 

Greywater from Dryer to 
Water Subsystem 

2

 

2

 

2

 

2

 

5

 

 

Urine Processing System Brine 
to Waste Subsystem 

5

 

5

 

2

 

2

 

2

 

 

Urine to Water Subsystem 

5

 

5

 

5

 

5

 

5

 

 

Urine Processor 

0.33

 (1,7)

 

0.33

 (1,7)

 

2

 

0.33

 (1,7)

 

5

 

This entry based on vapor compression distillation 
performance. Brine is stored in an EDV (Russian 
wastewater container). 

Water Processor Spares 

TBD TBD TBD TBD TBD  

Miscellaneous 0.89

 (5)

 0.89

 (5)

 0.89

 (5)

 0.89

 (5)

 0.89

 (5)

 

Based on ISS data for Assembly Complete. 

Subtotal 

1.22 1.22 0.89 1.30 0.93 

 

Overall 

Total 

3.26 3.51 3.18 2.55 1.93 

 

 

background image

 

 

89 

 

 

The overall waste generation rates, including both Russian and United States On-Orbit Segments, listed in 

Table 4.5.3 include all currently known waste streams. This table should be close to actual waste loads for future 
long-duration missions. There are, however, significant gaps in the data, and the total will be greater than what is 
listed here. 

4.5.4

 

Solid Waste Management for Future Long-Duration Missions 

Waste treatment and removal for missions to Mars and other likely near-term destinations will be more 

challenging due to the longer mission duration, regardless of complications from the environment. Waste 
management for such missions may employ more efficient versions of technologies developed for Shuttle and ISS—
or, completely different approaches may be more cost effective. Future missions may also generate significant 
amounts of inedible biomass. In later or far-term missions, inedible biomass may dominate all other trash sources 
(see Table 4.2.9). Finally, depending on the mission protocols, indefinite stable storage for the end products of any 
waste-processing scheme may be necessary. 

 Wastes generated during human spaceflight are materials with no further utility, yet require storage at least 

until the mission is complete. However, advanced Waste Subsystems may reclaim valuable resources from input 
wastes to allow greater closure within the overall life support system. 

The following tables provide mass data for various waste products, organized by references. Though 

unavailable here, waste volumes can be significant. Further, although wastes are listed separately below, some 
wastes may be contained in or associated with other wastes. For example, feces may adhere to toilet paper, wasted 
food may adhere to corresponding food packaging, and miscellaneous body wastes may adhere to hygiene wipes and 
dissolve or suspend in hygiene water. Also, various degrees of source separation are possible. For example, 
contaminated toilet paper might be collected in a container separate from the feces collector, or contaminated food 
packages might be collected separately from wasted food. 

These tables do not list all possible waste types for human spaceflight. Because many spacecraft systems 

routinely replace parts during scheduled maintenance on long-duration missions, a comprehensive list of wastes 
varies with the hardware and configurations used throughout the vehicle. Thus, for a full understanding of 
equipment-related wastes during a particular mission, the replaceable units for each piece of hardware must be 
known, including any associated packaging. The list must contain detailing of wastes that are commonly of interest 
to advanced waste technology developers, due to an anticipated presence or processing potential. Processing 
potential may be related to resource recovery potential and anticipated pre-disposal treatment requirements. The 
tables list materials that have historically been sent to the Waste Subsystem. Consequently, wastes such as carbon 
dioxide gas and trace contaminants are not included here. 

As noted above, most wastes depend upon the life support system or vehicle design. For example, the rate 

of clothing supply and associated waste generation depends on the presence of a laundry system. The rate at which 
waste is generated from food packaging depends on the degree of food bioregeneration, or crop growth, within the 
vehicle. Furthermore, the quantity and composition metabolic wastes depend on the composition and quantity of 
food consumed; greater metabolic demands and greater consumption of dietary fiber, for example, will result in a 
greater generation rate for feces. 

The tables present several mass values for some wastes. In such cases, an asterisk denotes the “preferred†

or suggested value for waste models if there is an appropriate entry for that particular waste with other important 
defining factors about the waste being unknown. The suggested values are also summarized in Table 4.5.5. The 
variability between sources is somewhat indicative of the variability in data collection methods. When known, the 
data variability is provided below. Additionally, when known, variation of waste mass and composition with 
particular environmental parameters are noted, allowing for customization of waste characteristics for a specific 
purpose. The degree of confidence in data values is highly variable and often unknown. In some cases, data have not 
been diligently collected, and mass estimates are included. In other cases, the values are contingent upon 
environmental variables. Finally, the original or earliest data source available for a particular value is listed first, 
followed by other sources that reference the earliest source. 

background image

 

 

90 

 

 

Table 4.5.5 

Summary Information on Wastes for Developing Waste Models  

for Future Long-Duration Missions 

 Assumptions 

[g/CM-d] 

 

Waste Lower 

Nominal 

Upper 

References 

Equipment Wastes 

 

TBD

 (1)

 

 

Experiment Wastes 

 

TBD

 (1)

 

 

Extravehicular Activity Maximum 
Absorption Garments (MAGs) 

130

 

 173

 (1) 132

 

 

Feminine Wastes: 

131

 

 

 

 

Menstrual Hygiene Products 

 

104

 (2) 133

 

 

Menses  

113.4

 (2) 133

 

 

Food Packaging and Adhered Food 

 

324

 (3)

 

 

Gloves  

7

 (4)

 

 

Grey or Duct Tape 

 

33

 (5)

 

 

Greywater  

TBD

 (6)

 

 

Greywater Brine 

 

TBD

 (6)

 

 

Human Detritus: 

 

 

 

Finger and Toe Nails 

 

0.01

 (7)

 

 

Hair  

0.33

 (7)

 

 

Mucus  

0.4

 (7)

 

 

Saliva Solids 

 

0.01

 (7)

 

 

Skin Cells 

 

3

 (7)

 

 

Skin Oils 

 

4

 (7)

 

 

Sweat Solids 

 

8

 (7)

 

 

Hygiene Products, Miscellaneous 

 

TBD

 (5)

 

 

Inedible Biomass and Wasted Crop 
Materials 

 TBD

 (3)

 

 

Laundry: Clothing, Towels and 
Wash Cloths 

 TBD

 (5)

 

 

Medical Wastes 

 

TBD

 (1)

 

 

Metabolic Wastes: 

 

 

 

Feces  

123

 (8)

 

 

Urine  

1,562

 (9)

 

 

Paper  

77

 (5)

 

 

Wipes:  

 

 

Toilet Paper 

 

28

 (10)

 

 

Wipes, Detergent 

 

58

 (4)

 

 

Wipes, Disinfectant 

 

56

 (4)

 

 

Wipes, Dry 

 

13

 (4)

 

 

Wipes, Wet 

 

51

 (4)

 

 

(1)

 

See Table 4.5.14. 

(2)

 

See Table 4.5.8 

(3)

 

See Table 4.5.12 

(4)

 

See Table 4.5.11 

(5)

 

See Table 4.5.13 

(6)

 

See Section 4.5.4.9 

(7)

 

See Table 4.5.10 

(8)

 

See Table 4.5.6 

(9)

 

See Table 4.5.7 

(10)

 

See Table 4.5.9 

 

                                                           

130

  Units for this category: grams per crewmember per EVA event [g/CM-EVA]. 

131

  The waste production rates in this category exist only for a woman during her menstrual period.  

Units for this category are: grams per crewmember per menstrual period [g/CM-

℘

]. 

background image

 

*  An asterisk denotes a suggested value. If a particular waste component is essential for a waste model, but details 

on the waste component’s generation are unknown, the suggested value is recommended. 

 

91 

 

 

4.5.4.1

 

Feces 

The mass and composition of feces varies with the quantity and composition of consumed food, among 

other factors. Additional fiber in the diet is known to increase daily stool mass (Tucker, et al., 1981). Wydeven and 
Golub (1990) provide general detailed estimates of dry human feces. Hawk (1965) states “…the amount of fecal 
discharge varies with the individual and diet. Various authorities claim that on an ordinary mixed diet the daily 
excretion by an adult male will aggregate 110-170g with a solid content ranging between 25 and 45g; the fecal 
discharge of such an individual on a vegetable diet will be much greater and may even be as great as 350 g and 
possess a solid content of 75g.†

NASA (1995) states that the fecal collection system shall have the capacity to accommodate fecal matter of 

400g/CM-d by mass and 300 mL/CM-d by volume and a maximum bolus length of 330mm. NASA (1995) also 
states that the fecal collection device shall have the capacity to accommodate a maximum of 1000mL of diarrhea 
discharge. 

Finally, depending on the post-defecation cleansing methods, portions of feces may adhere to toilet paper 

or wipes. Table 4.5.6 summarizes information on feces. 

Table 4.5.6 

Information on Feces 

Waste Units 

Value 

Comments 

Feces 

g/CM-d * 

123

 (1)

 

Composition: 32g/CM-d solids and 91g/CM-d water. 
Metabolic Energy: 11.82 MJ/CM-d. 
Ingested Food Composition: not available. 

 

g/CM-d 114

 (2)

 

Composition: 32g/CM-d “dehydrated residue†(4.5g/CM-d fat, 
4.5g/CM-d protein, 1.8g/CM-d cellulose, 9.5g/CM-d inorganic 
matter, 11.4g/CM-d bound water) and 82g/CM-d water. 
Metabolic Energy: not available. 
Ingested Food Composition: not available. 

 

g/CM-d 120

 (3,4)

 

Composition: 20g/CM-d solids and 100g/CM-d water. 
Metabolic Energy: 11.82 MJ/CM-d (assumed). 
Ingested Food Composition: not available. 

 

g/CM-d 95.5

 (5,6)

 

Composition: 20.5g/CM-d solids (19.5g/CM-d standard deviation) 
and 75g/CM-d water. 
Metabolic Energy: not available. 
Ingested Food Composition: “relatively low fiber diet, not unlike 
that eaten while in space.†
Note: 24 h mean sample; standard deviation of 95.7g/CM-d. 

 

g/CM-d 132

 (7)

 

Composition: 21g/CM-d solids and 111g/CM-d water. 
Metabolic Energy: not available. 
Ingested Food Composition: not available. 

 

g/CM-d 30

 (8)

 

Composition: 30g/CM-d solids. 
Metabolic Energy: not available. 
Ingested Food Composition: not available. 
Note: Dry mass only. Wet mass unavailable. 

Table References: 

(1)

 NASA (1991), 

(2)

 LSDB (1962), 

(3)

 Parker and West (1973), 

(4)

 Parker and Gallagher (1992), 

(5)

 Wydeven and Golub (1990), 

(6)

 Diem and Lentner (1970), 

(7)

 Schubert, et al. (1984), 

(8)

 Tucker, et al. (1981). 

4.5.4.2

 

Urine 

The mass and composition of urine varies with the individual, with the quantity and composition of water 

and food consumed, as well as with other factors. Wydeven and Golub (1990) provide general detailed estimates of 
human urine. 

NASA (1995) states the urine collection devices shall have the capacity to accommodate a maximum urine 

output volume of 4,000 mL/CM-d and a discharge up to 800 mL in a single urination event at a delivery rate of 
50 mL/s. 

background image

 

*  An asterisk denotes a suggested value. If a particular waste component is essential for a waste model, but details 

on the waste component’s generation are unknown, the suggested value is recommended. 

 

92 

 

 

Depending on the post-urination-event cleansing methods, urine may adhere to toilet paper or wipes. 

Depending on the life support system configuration, urine may or may not be included with greywater. Table 4.5.7 
summarizes information on urine. 

Table 4.5.7 

Information on Urine 

Waste Units 

Value 

Comments 

Urine 

g/CM-d *

 

1,562

 (1-4)

 

Composition: 59g/CM-d solids and 1,503g/CM-d water. 
Ingested Food Composition: not available. 

 

g/CM-d 1,700

 (5)

 

Composition: 70g/CM-d solids and 1,630g/CM-d water. 
Ingested Food Composition: not available. 

 

g/CM-d 1,470

 (6)

 

Composition: 70g/CM-d solids and 1,400g/CM-d water. 
Ingested Food Composition: not available. 

 

g/CM-d 2,107

 (7,8)

 

Composition: not available. 
Ingested Food Composition: not available. 
Note: 24 h mean sample; standard deviation of 1,259g/CM-d. 

132

  

The wet mass was calculated from urine volumes assuming a 
density of 1.02g/mL. 

 

g/CM-d 1,390

 (9)

 

Composition: not available. 
Ingested Food Composition: not available. 
Note: The wet mass was calculated from urine volumes assuming a 
density of 1.02g/mL. 

Table References: 

(1)

 Parker and West (1973), 

(2)

 NASA (1991), 

(3)

 Wydeven and Golub (1990), 

(4)

 Schubert, et al. 

(1984), 

(5)

 NASA (1995), 

(6)

 LSDB (1962), 

(7)

 Parker and Gallagher (1988), 

(8)

 Diem and Lentner (1970), 

(9)

 Leach 

(1983). 

4.5.4.3

 

Menstruation 

Normally, adult female human beings menstruate once every 26 to 34 days for a duration of 4 to 6 days 

(NASA, 1995). These excretion products provide another possible waste generation mechanism. Menstrual flow is 
highly variable between individuals. Consequently, menstrual pad and tampon use is also highly variable between 
individuals. Female crewmembers on ISS use medication before flight to prevent menstruation for up to six months 
during flight. This approach, for many reasons, may not be acceptable for longer duration flights. Depending on the 
menstruation management and cleansing method used, menses may adhere to tampons, menstrual pads, toilet paper, 
or wipes. Table 4.5.8 summarizes information on menstruation using units of grams per crewmember per menstrual 
cycle [g/CM-

℘

]. 

Table 4.5.8 

Information on Menstruation 

Waste Units 

Value 

Comments 

g/CM-

℘

 

*

 

113.4

 (1)

 

Composition: 80% is released during the first 3 d of menstruation. 
Note: Menstrual period duration is 4 to 6 d every 26 to 34 d. 

Menses 

g/CM-

℘

 

28

 (2,3)

 

Composition: 10 g/CM-

℘

 solids (estimated). 

Menstrual 
Pads and 
Tampons

 

g/CM-

℘

 

104

 (3)

 

Note: Mean estimated tampon or menstrual pad usage is 
16.2 products/CM-

℘

. The average menstrual product (menstrual 

pads or tampons) is 6.4 g/product (clean). 

Table References: 

(1)

 NASA (1995), 

(2)

 Hallberg and Nilsson (1964), 

(3)

 Parker and Gallagher (1992). 

4.5.4.4

 

Toilet Paper 

Toilet paper usage varies with production rates and consistency of metabolic waste excretions. For all 

crewmembers, toilet paper is an important cleansing agent following a bowel movement. Additionally, female 

                                                           

132

  78% of the variation in urine output could be explained by variations in fluid consumed. 

background image

 

*  An asterisk denotes a suggested value. If a particular waste component is essential for a waste model, but details 

on the waste component’s generation are unknown, the suggested value is recommended. 

 

93 

 

 

crewmembers use toilet paper following urination events and menstrual discharges. Because of relatively frequent 
resupply, toilet paper usage on current human missions, such as ISS, may not be as frugal as necessary for longer-
duration missions with limited or no resupply. The value provided in Table 4.5.9 may be an upper limit. 

NASA (1995) states, “In microgravity, 

133

 many more tissues are needed for cleansing the anal areas after 

defecation, because gravitational forces are not present to aid in separation of the feces from the body.†

If used as a means for post-defecation, post-urination and menstruation cleansing, toilet paper may contain 

feces, urine, and menses. Table 4.5.9 summarizes information on toilet paper usage. 

Table 4.5.9 

Information on Toilet Paper 

Waste Units 

Value 

Comments 

g/CM-d  * 28

 (1) 

134

 

 

Toilet Paper 

g/CM-d 5.1

 (2,3)

 

Note: Value computed assuming 6.0 g per bowel movement and 
0.86 bowel movements/CM-d based on statistical data. Additionally, 
for female crewmembers, add 36 g/CM-d to support post-urination 
cleansing following each of 6 urinations/CM-d. 

Table References: 

(1)

 Maxwell (2001a), 

(2)

 Parker and Gallagher (1992), 

(3)

 Wydeven and Golub (1990). 

4.5.4.5

 

Miscellaneous Body Wastes 

In addition to metabolic excretions, human beings also shed various wastes from the exposed surfaces of 

their bodies. These include sweat solids, dead skin cells and associated oils, hair, saliva solids, mucus, fingernails, 
and toe nails. Estimates and data for these waste stream components are detailed in Table 4.5.10. 

Sweat solids may adhere to clothing, hygiene wipes, towels, wash cloths, and dissolve or suspend in 

hygiene greywater. Wydeven, and Golub (1990) and Parker and West (1973) provide approximate compositions for 
dry solids in sweat. 

Dead skin cells, once free from the surface of the body, exist as cabin â€œdust†and collect in the cabin air 

filter. However, some skin cells may adhere to clothing, hygiene wipes, towels, washcloths, or suspend in hygiene 
greywater. Wydeven, et al. (1989) provides estimates for particle and dust generation rates by human beings within 
a space station. 

Finally, skin oils, hair, saliva solids, and mucus may adhere to clothing, hygiene wipes, towels, washcloths, 

or suspend in hygiene greywater. Estimated generation rates for all these human byproducts are provided in 
Table 4.5.10. 

Table 4.5.10 

Information on Miscellaneous Body Wastes 

Waste Units 

Value 

Comments 

g/CM-d * 

18

 (1)

 

 

Sweat Solids 

g/CM-d 3

 (2,3)

 

 

Skin Cells 

g/CM-d 

3

 (2,3)

 

 

Skin Oils 

g/CM-d 

4

 (2,3)

 

 

Hair 

g/CM-d 0.33

 (2,3)

 

Composition: 0.3 g/CM-d for facial shaving and 0.03 g/CM-d for 
depilation. 
Note: The study used only male subjects. 

Saliva Solids 

g/CM-d 

0.01

 (2,3)

 

 

Mucus g/CM-d 

0.4

 (2,3)

 

 

Finger and Toe 
Nails 

g/CM-d 0.01

 (2,3)

 

 

Table References: 

(1)

 NASA (1991), 

(2)

 LSDB (1962), 

(3)

 NASA (1995). 

                                                           

133

  See Footnote 33. 

134

  Charmin (2002) claims “the average person uses 57 sheets [of toilet paper] per day,†or 23 g/CM-d. 

background image

 

*  An asterisk denotes a suggested value. If a particular waste component is essential for a waste model, but details 

on the waste component’s generation are unknown, the suggested value is recommended. 

 

94 

 

 

4.5.4.6

 

Consumable Hygiene Products 

Aboard ISS, crewmembers use a variety of wipes and gloves for various housekeeping and hygiene tasks. 

Maxwell (2001a) estimates consumption rates for these items based on ISS usage. 

Though confirmed only verbally, gloves are used at a rate of one glove per day to clean the toilet after 

defecation. These gloves are non-powdered, medium, latex laboratory gloves. Following use, human metabolic 
wastes, such as feces or urine, may adhere to the gloves. 

Wipes are essential to many tasks aboard ISS and the estimated consumption rates here are based on ISS 

usage. Four types of wipes are listed below, though detergent and disinfectant wipes are the same as wet wipes with 
a commercial detergent or disinfectant solution applied to them. Because of relatively frequent resupply, wipe usage 
on current human missions, such as ISS, may not be as frugal as necessary for longer-duration missions with limited 
or no resupply. The values provided in Table 4.5.11 may be an upper limit. 

Table 4.5.11 

Information on Consumable Hygiene Products 

Waste Units 

Value 

Comments 

Gloves g/CM-d 

7

 (1)

 

Usage: 1 glove/CM-d to clean the toilet following defecation. 

Wipes  

 

 

Dry 

g/CM-d 13

 (1)

 

Usage: This is equivalent to 3 Kimwipe® brand, low-lint 29.2 cm by 
30.5 cm wipes/CM-d. 

Wet 

g/CM-d 51

 (1)

 

Usage: This is equivalent to 4.7 Huggies® brand wet baby 
wipes/CM-d. Clark (2003) states that Huggies® wet baby wipes at 
75% moisture have a mass of 10.9 g/wipe. 

Detergent 

g/CM-d 58

 (1)

 

 

Disinfectant

 

g/CM-d 56

 (1)

 

 

Table Reference: 

(1)

 Maxwell (2001a). 

4.5.4.7

 

Food Packaging, Inedible Biomass, and Wasted Food 

The food system, whether prepackaged or based on the conversion of crops, invariably generates a 

significant and unique waste stream. Prepackaged food systems generate waste streams including packaging, 
comprised of plastic bonded to a metallic layer, with adhered food. Crop-based food systems generate wastes 
associated with the crops and with the conversion of crops to finished entrees. Finally, the crew, for many reasons, 
may waste food in either system. 

The first estimate in Table 4.5.12 provides an estimate of the minimal waste stream from a prepackaged-

food system. Levri, et al. (2001) assumed ambient-stored, prepackaged food, similar in nature to the Shuttle Training 
Menu. Further, each crewmember requires metabolic energy from food of 11.82 MJ/CM-d and only 3% of all 
prepackaged food and rehydration water is wasted. This is a lower practical wastage limit to estimate the material 
wasted if the crew attempted to eat all of the food in every package that is opened. The food wastage represents 
approximately 3% of prepackaged food and rehydration water adheres to the sides of the packaging. Additionally, 
this study assumed that a small salad crop provides less than 1% of the crew’s food energy needs. 

The second estimate, from Maxwell (2001b), an unpublished source to date, studied actual ISS food usage 

rates. This study collected information on the preferred menus of three ISS occupants during one expedition and 
computed the daily average per crewmember usage rates for food, packaging, and rehydration water. This study 
additionally assumed that 15% of all food packages shipped to ISS were unopened and discarded and that 5% of all 
opened food with any rehydration water was discarded while adhered to the food packaging. The actual values in 
Table 4.5.12 assume modified packaging numbers to reflect more recent food packaging mass data as presented in 
Levri, et al. (2001). Further, because actual crewmembers are not nominal crewmembers, the nominal metabolic 
energy of 11.82 MJ/CM-d does not apply to these data. Lastly, food wastage assumptions for future long-duration 
missions are usually more conservative than ISS usage values because resupply may be more limited or completely 
nonexistent. 

Crops and food processing may generate wastes during crop production, in the form of inedible biomass 

and expended nutrient solution or other growth support agents, and post-harvest during the production of food 
products and meals from the crops, in the form of wasted edible biomass, cleansing agents, food preparation fluids 
and agents, and even plate waste. These waste generation rates are highly variable and mission dependent. 

background image

 

*  An asterisk denotes a suggested value. If a particular waste component is essential for a waste model, but details 

on the waste component’s generation are unknown, the suggested value is recommended. 

 

95 

 

 

Table 4.5.12 summarizes information on food packaging, inedible biomass, and wasted food. 

Table 4.5.12 

Information on Food Packaging, Inedible Biomass, and Wasted Food 

Waste Units 

Value 

Comments 

g/CM-d * 

324

 (1)

 

Composition: 62g/CM-d adhered food (~73% moisture content, 
including beverages) and 262g/CM-d plastic packaging. 
Metabolic Energy: 11.82 MJ/CM-d. 
Ingested Food Composition: ambient-stored, prepackaged food 
system. 

Food 
Packaging and 
Adhered Food 

g/CM-d 508

 (2)

 

Composition: 206g/CM-d unopened food (175 g/CM-d food and 
31 g/CM-d plastic packaging) and 302g/CM-d adhered food and 
packaging waste (58 g/CM-d food, 176g/CM-d plastic packaging, 
and 68g/CM-d rehydration water). 
Metabolic Energy: not available. 
Ingested Food Composition: ambient-stored, prepackaged food 
system. 

Inedible 
Biomass and 
Wasted Crop 
Materials 

g/CM-d TBD 

Note: Highly mission dependent. See Table 4.2.7 for inedible 
biomass productivity under typical crop growth chamber conditions. 
See Table 4.2.6 for suggested application based on the mission. See 
Table 4.2.9 for examples of diets using crops. 

Table References: 

(1)

 Levri, et al. (2001), 

(2)

 Maxwell (2001b). 

4.5.4.8

 

Paper, Tape, Miscellaneous Hygiene Products, and Clothing 

Human activities generate a number of waste streams not related to metabolic activity. In particular, 

documentation generates waste paper, tape is used to seal plastic garbage bags, crew hygiene activities contribute 
many items to the waste stream, and clothing, when used, adds another waste stream for long-duration missions. 

ISS uses paper for documentation and the data point in Table 4.5.13 is based on ISS usage rates. Waste 

paper generation rates can vary significantly between ISS increments and may not be closely correlated to the 
number of crewmembers. It is theorized that the relatively frequent upload and download of supplies to ISS is 
strongly related to the somewhat high rate of waste paper generation from documentation. Much lower waste paper 
generation rates for documentation are likely on longer-duration missions with little or no resupply. 

Grey or duct tape has traditionally been used on Shuttle and ISS missions to bind bags of trash. On future 

missions, the crew may utilize other approaches for sealing trash bags and other tasks where tape might be used. 
Consequently, tape usage is contingent on vehicle design. 

As noted in Table 4.5.13, waste generation rates associated with personal hygiene products can be 

significant. The data here are based on ISS usage rates. These values may include items such as dental floss, 
toothbrushes, containers for toothpaste, shave cream, razors, mouthwash, shampoo, moisturizing lotion, deodorant, 
sun block, chap stick, makeup, and similar personal hygiene products. The value here should probably be considered 
a historical point, and future long-duration missions with little or no resupply will be much lower. Theoretically, the 
relatively frequent resupply schedule for ISS is strongly correlated to the surprisingly high rate of miscellaneous 
hygiene product waste generation. 

Clothing usage and associated dirty clothing generation rates are also significant historically, as 

documented in Table 5.3.1 for ISS. Actual expended clothing generation rates are strongly correlated to how long 
clothing may be used before it is sufficiently worn or dirty and no longer fit for use. A laundry can increase clothing 
life, reducing waste generation rates associated with discarded clothing, at a cost of other vehicle resources such as 
power, crewtime, and water usage. 

As a simplifying assumption, clothing is comprised of 100% cotton and has 8.5% moisture content when 

clean and dry, an industry standard for cotton. Actual clothing may be comprised of other materials that are more 
efficient and fire retardant, but historically, crewmembers preferred clothing with higher cotton content. Clothing 
will likely not be discarded in clean form. Rather: clothing, towels, and washcloths will likely contain skin cells, 
sweat solids, skin oil, hair, and other miscellaneous body wastes. Towels and washcloths will likely also contain 

background image

 

*  An asterisk denotes a suggested value. If a particular waste component is essential for a waste model, but details 

on the waste component’s generation are unknown, the suggested value is recommended. 

 

96 

 

 

moisture from sweat and bathing. McGlothlin (2000) reports that the average 49-g Class III 

135

 Shuttle washcloth, 

measuring 30.5 cm by 30.5 cm and comprised of 100% cotton, retains up to 202g of water when completely soaked. 

Table 4.5.13 summarizes information on waste streams from paper, tape, miscellaneous hygiene products, 

and clothing. 

Table 4.5.13 

Information on Paper, Tape, Miscellaneous Hygiene Products, and Clothing 

Waste Units 

Value 

Comments 

Paper g/CM-d 

77

 (1)

 

Composition: 6% moisture content. 

Grey or Duct 
Tape 

g/CM-d 33

 (2)

 

Note: This value is highly design contingent. 
The value here represents ISS usage. 

Misc. Hygiene 
Products 

g/CM-d 781

 (1)

 

Note: This value is highly design contingent. The value here 
represents ISS usage. Future missions may allow much lower waste 
generation rates from miscellaneous hygiene products. 

Clothing, 
Towels, and 
Wash-cloths 

g/CM-d TBD 

Composition: 100% cotton solids, with 8.5% moisture content 
(clean and dry). 
 
Note: See Table 5.3.1 for expended clothing generation rates. 

Table References: 

(1)

 Maxwell (2001b), 

(2)

 Wydeven, et al. (1989). 

4.5.4.9

 

Greywater and Brine 

Wastewater and brines, though historically processed by the Water Subsystem, may initially or post-

processing pass to the Waste Subsystem. Section 4.6 lists wastewater generation rates and stream compositions. 
However, these tables do not provide greywater generation data for configurations with crop production or food 
processing. Greywater production from such activities depends on the crops produced, the growing techniques, the 
crop processing approaches following harvest, the food processing technology, and the processing equipment and 
crop cleansing approaches. Finally, greywater may also include urine. 

In general, greywater production rates and, more importantly here, the rate of wastewater transfer to the 

Waste Subsystem, are highly dependent upon the vehicle design. The individual greywater production rates are 
variable, and decisions about how the wastewater streams are managed significantly influence the wastewater and 
brine loads passed to the Waste Subsystem. 

Brine production rates depend primarily upon the architecture of the water system. If greywater is 

processed for reuse, the degree of recovery determines the composition of the brine remaining after treatment. Most 
advanced physicochemical water processors recover 95% to more than 99% of the water within the input greywater 
stream. 

4.5.4.10

 

Other Waste Streams 

Several other notable waste streams are possible. Wastes associated with extravehicular activities depend 

on the frequency of extravehicular activities. Other waste streams from equipment, experiments, and medical tests 
are highly variable and depend on the vehicle and mission architecture. 

Extravehicular activities (EVA) supply waste streams to the life support system. While some wastes are 

gaseous, others are solid wastes. Most significantly, crewmembers are provided with a maximum absorption 
garment (MAG) to catch metabolic wastes. A used garment may be contaminated with urine, feces, and other wastes 
associated with exposure to human skin. The data in Table 4.5.14 are based on ISS equipment and production rates 
in terms of grams per crewmember per EVA sortie [g/CM-EVA]. Data on other likely EVA wastes, such as food 
sticks, drink pouches, and batteries, were unavailable. EVA consumption rates for consumables are given in 
Table 5.2.5, although these values do not reflect solid waste production rates. 

Equipment wastes are highly variable with the overall vehicle design. Equipment wastes include supplies 

for life support hardware, such as filters and plastic bags. Generally, the Waste Subsystem design varies with the life 
support system architecture, including the degree of resource recovery and containment for pre-processing storage, 
post-processing storage, and disposal. For example, a system in which there is no recovery from solid wastes, such 
                                                           

135

  Note: “Class III†hardware is dimensionally the same and functionally similar to flight, or â€œClass I,†hardware. However, 

Class III hardware is not, in general, identical to Class I hardware. 

background image

 

*  An asterisk denotes a suggested value. If a particular waste component is essential for a waste model, but details 

on the waste component’s generation are unknown, the suggested value is recommended. 

 

97 

 

 

as on ISS, may require more Waste Subsystem resupply items than a system that reuses or recovers resources. 
Regarding storage options, some equipment wastes might be returned to its original stowage volumes, although 
cleaning may be required before such an approach is acceptable. For example, contaminated membranes from the 
Water Subsystem might be cleaned to remove water wastes and then stowed in the original stowage volume for 
membranes. 

Experimental wastes are highly variable in experimental procedures and mission objectives. Some waste 

materials may be hazardous. 

Medical wastes are also highly variable with medical protocol. These waste loads could be very sporadic 

and may require special handling. Some waste product materials may even be biohazardous. 

Table 4.5.14 summarizes information on EVA, equipment, experiment, and medical waste streams. 

Table 4.5.14 

Information on Other Waste Streams 

Waste Units 

Value 

Comments 

EVA Wastes 

g/CM-
EVA 

173

 (1)

 

Note: This value represents the maximum absorption garment (clean 
and dry) 

Equipment 
Wastes 

g/CM-d TBD 

Note: Highly variable and dependent on vehicle design. 

Experiment 
Wastes 

g/CM-d TBD 

Note: Highly variable and dependent on mission design. Waste 
streams delegated to the Waste Subsystem will depend on mission 
protocols. Some wastes may be hazardous. 

Medical 
Wastes 

g/CM-d TBD 

Note: Highly variable and dependent on mission medical protocol. 
Waste streams delegated to the Waste Subsystem will depend on 
mission protocols. Some wastes may be biohazards. 

Table Reference: 

(1)

 EDCC (1998). 

 

background image

 

 

98 

 

 

4.6

 

Water Subsystem 

Water may not be the most time-critical life support commodity, but water regeneration streams are the 

most massive. Further, water quality is also of great concern with respect to crew safety. No single technology has 
proven adequate for water regeneration to date. Instead, a suite of complementary technologies must be employed. 
In the past, power use has driven water regeneration. However, other infrastructure costs are also important. 

4.6.1

 

Design Values for Water Subsystems 

Clean water is required for drinks, food preparation, personal hygiene, and possibly for cleaning clothes 

and equipment. Water quality standards will vary, but they might include potable, hygiene, technical, and plant-
transpired water. The tables here provide anticipated usage rates for several possibilities. The values here are 
averages during nominal operation of the life support system. Degraded or emergency life support system values 
may be different. Table 4.6.1 lists steady-state water usage estimates for missions of 30 days or less. Table 4.6.2 lists 
steady-state water usage estimates for longer duration missions. More importantly here, Table 4.6.3 details 
anticipated wastewater generation rates to be processed by the Water Subsystem for long-duration missions. Please 
note the water usage rates and wastewater generation rates sometimes differ, as a quick comparison of Table 4.6.2 to 
Table 4.6.3 confirms. In some cases, either the water usage or wastewater generation rates are unknown. In other 
cases, water usage does not correspond to wastewater generated and sent to the Water Subsystem, varying with the 
configuration of the system using the water. 

The mission scenarios are defined as: assembly complete ISS, assumed as lacking a waste and hygiene 

compartment; a transit mission, currently assumed to have similar hygiene capabilities as ISS; Early Planetary Base, 
assumed to have the capability for limited hygiene water use; and Mature Planetary Base, assumed to have the 
capability for full hygiene water use as well as a biomass production chamber for food cultivation. 

Table 4.6.1 

Steady-State Values for Vehicle Water Usage for Short-Duration Missions

 

136

 

  

Assumptions 

 

Parameter Units 

Lower 

Nominal 

Upper 

References 

Crew Water Allocation, 
assuming Minimal Hygiene Water 
for a Mission Less Than 30 days 

kg/CM-d 2.9 

(1)

 4.5 

(2)

 7.7 

(2)

 

(1)

  From Apollo Program via 

Ewert and Drake (2000) 

(2)

  Ewert and Drake (2000) 

 

                                                           

136

 For 

information 

only. 

background image

 

July 2004 

 

99 

 

Table 4.6.2 

Typical Steady-State Water Usage Rates for Various Missions

 

137

 

Parameter Units 

International 

Space Station

Transit 
Vehicle 

Early 

Planetary 

Base 

Mature 

Planetary 

Base 

References 

Crew Drinks 

kg/CM-d

2.00

 (2)

 2.00

 (2)

 2.00

 (2)

 2.00

 (2)

 

Total Metabolic and Related Consumption kg/CM-d

2.00 2.00 2.00 2.00 

Urinal Flush 

kg/CM-d

0.30

 (1)

 0.30

 (1)

 0.50

 (2)

 0.50

 (2)

 

(1)

 NASA (2004) 

(2)

 NASA (1991) 

(3)

 Architecture dependent. 

Oral Hygiene 

kg/CM-d

0.37

 (2)

 0.37

 (2)

 0.37

 (2)

 0.37

 (2)

 

 

Hand Wash 

kg/CM-d

n/a 

n/a 

4.08

 (2)

 4.08

 (2)

 

 

Shower 

138

 

kg/CM-d

n/a n/a 

2.72

 (2)

 2.72

 (2)

 

 

Laundry 

kg/CM-d

n/a n/a n/a 

12.47

 (2)

 

 

Dish 

Wash 

kg/CM-d

n/a n/a n/a 

5.44

 (2)

 

 

Food Processing and Preparation 

kg/CM-d

TBD 

TBD 

TBD 

TBD 

 

Total Hygiene Consumption 

kg/CM-d

0.67 

0.67 

7.67 

25.58 

 

Payload kg/CM-d

2.18

 (1)

 TBD

 (3)

 TBD

 (3)

 TBD

 (3)

 

 

Total Payload Consumption 

kg/CM-d

2.18 

 

 

 

 

Total Water Consumption 

kg/CM-d

4.85 2.67 9.67 27.58 

 

Biomass Production Water 
Consumption 

139

 

kg/m²

•

n/a n/a n/a 4.00 

 

 

                                                           

137

 For 

information 

only. 

138

  Assuming one shower per two days. 

139

  The water quality may differ from the standards for crew use for water provided to plants as nutrient solution. In fact, plants might provide some water reclamation functions 

even while providing raw agricultural products. 

background image

 

July 2004 

 

100 

 

Table 4.6.3 

Typical Steady-State Wastewater Generation Rates for Various Missions 

Parameter Units 

International 

Space Station

Transit 
Vehicle 

Early 

Planetary 

Base 

Mature 

Planetary 

Base 

References 

Urine kg/CM-d

1.20

 (1)

 1.50

 (2)

 1.50

 (2)

 1.50

 (2)

 

Urinal Flush 

kg/CM-d

0.30

 (1)

 0.30

 (1)

 0.50

 (2)

 0.50

 (2)

 

Total Urine Wastewater Load 

kg/CM-d

1.80 

1.80 

2.00 

2.00 

(1)

 NASA (2004) 

(2)

 NASA (1991) 

(3)

 Architecture dependent. 

Oral Hygiene 

kg/CM-d

n/a 

n/a 

0.37

 (2)

 0.37

 (2)

 

 

Hand Wash 

kg/CM-d

n/a 

n/a 

4.08

 (2)

 4.08

 (2)

 

 

Shower 

140

 

kg/CM-d

n/a n/a 

2.72

 (2)

 2.72

 (2)

 

 

Laundry 

kg/CM-d

n/a n/a n/a 

11.87

 (2)

 

 

Dish 

Wash 

kg/CM-d

n/a n/a n/a 

5.41

 (2)

 

 

Food Preparation and Processing 

kg/CM-d

n/a 

n/a 

n/a 

TBD 

 

Total Hygiene Wastewater Load 

kg/CM-d

0.00 

0.00 

7.17 

24.45+ 

 

Crew Latent Humidity Condensate 

kg/CM-d

2.27

 (2)

 2.27

 (2)

 2.27

 (2)

 2.90

 (2)

 

 

Animal Latent Humidity Condensate kg/CM-d

n/a 

n/a 

TBD 

TBD   

Total Latent Wastewater Load 

kg/CM-d

2.27 

2.27 

2.27+ 

2.90+ 

 

Payload kg/CM-d

n/a 

n/a 

TBD

 (3)

 TBD

 (3)

 

 

Total Payload Wastewater Load 

kg/CM-d

0.00 

0.00 

0.00+ 

0.00+ 

 

Total Wastewater Load 

kg/CM-d

4.07 4.07 

11.44+ 

29.35+ 

 

Biomass Production Wastewater 

141

 

kg/m²

•

n/a n/a n/a TBD 

 

 

                                                           

140

  Assuming one shower per two days. 

141

  The water quality may differ from the standards for crew use for water provided to plants as nutrient solution. In fact, plants might provide some water reclamation functions 

even while providing raw agricultural products. 

background image

 

 

101 

 

 

4.6.2

 

Wastewater Component Contaminant Loading 

Studies by Carter (1998) and Putnam (1971) provide the data for Table 4.6.4 through Table 4.6.9, which 

present wastewater stream aqueous contaminant loadings. Work by Carter (1998) focuses on anticipated wastewater 
streams from ISS systems to aid sizing the ISS water processor. Consequently, some contaminants, especially those 
associated with ISS cleansing agents in the shower (Table 4.6.6) and hygiene (Table 4.6.7) streams, may be unique 
to ISS. Likewise, wastes listed for the EMU (Table 4.6.4) are specific to equipment employed by the Shuttle and ISS 
programs. However, such loadings are likely representative. Work by Putnam (1971) characterized only human 
urine. The corresponding values given by Carter (1998) for urine reflect the urine processor product stream, as 
passed to the other ISS water processing equipment, and not an untreated urine stream. 

Table 4.6.4 through Table 4.6.9 have a similar format. The first column of each table provides the 

contaminant name. When the common name differs from IUPAC nomenclature, the IUPAC name appears in 
brackets. The next two columns, when checked with an â€œ

×

,†identify those compounds in the wastewater stream that 

are defined as either controlled inorganic compounds (CI) for potable water streams or have an associated SMAC 
for the cabin atmosphere 

142

. The molecular weight (MW) and percent carbon are listed next. The loading density 

provides the concentration in milligrams of contaminant per liter of wastewater stream. Finally, the last column 
provides the percentage of the specific contaminant with respect to the total contaminant loading. 

Each table is organized in order of descending concentration, or loading density. Those components in 

aggregate comprising less than five percent of the total contaminant loading, or trace components, are listed below 
the thick line near the bottom of each table. Trace components that are CI or have a SMAC are listed individually 
while all other trace components are listed under the generic heading of “constituents totaling less than 5%.†

Table 4.6.4 details the anticipated aqueous contaminants in the greywater stream from an EMU. This 

stream reflects Shuttle or ISS program technology, so a similar stream for an advanced spacesuit may differ. Carter 
(1998) developed this list based on the ISS program. 

Table 4.6.4 

Wastewater Contaminants in Extravehicular Mobility Unit Stream

 

Component 

C

M

A

MW 

Percent 
Carbon 

[%C] 

Loading 

Density 

[mg/L] 

Percent 

of 

Stream 

[%] 

acetone [2-propanone] 

 

×

 

58.1 62.0  0.0256 34.4 

Caprolactam 

 

 

113.2 63.7  0.0227 30.6 

Freon 113 [1,1,2-trichloro-1,2,2-trifluoroethane] 

×

 

×

 

187.4 12.8  0.0108 14.5 

ethylene glycol [1,2-ethandiol] 

 

×

 

62.1 38.7  0.0035  4.7 

tetraoxadodecane [2,5,8,11-tetraoxadodecane] 

 

 

178.2 53.9  0.0035  4.7 

tetradecanol [1-tetradecanol] 

 

 

214.4 78.4  0.0029  3.9 

sulfolane [tetrahydrothiophene-1,1-dioxide] 

 

 

120.2 40.0  0.0020  2.7 

constituents totaling less than 5% 

 

 

  0.0029 

3.9 

Benzene 

 

×

 

78.1 92.3  0.0002  0.3 

Toluene 

 

×

 

92.1 91.2  0.0002  0.3 

Total 

 

 

  0.0742 

100 

Table 4.6.5 lists the anticipated contaminants from the latent condensate derived from the crew cabin. 

Carter (1998) developed this list based on the ISS program. 

                                                           

142

  See Duffield (2003) for CI and SMAC requirements. 

background image

 

 

102 

 

 

Table 4.6.5 

Wastewater Contaminants in Crew Latent Condensate 

Component 

C

M

A

MW 

Percent 
Carbon 

[%C] 

Loading 

Density 

[mg/L] 

Percent 

of 

Stream 

[%] 

2-propanol 

 

×

 

60.1 60.0  46.297  18.6 

1,2 propanediol 

 

 

76.1 47.4  45.234  18.2 

bicarbonate 

 

 

61.0 19.7  33.170  13.3 

acetic acid [ethanoic acid] 

 

×

 

60.1 40.0  14.614  5.9 

ammonium 

×

 

 

18.0 0.0 13.527  5.4 

caprolactam 

 

 

113.2 63.7  11.834  4.8 

ethylene glycol [1,2-ethandiol] 

 

×

 

62.1 38.7  10.224  4.1 

glycolic acid [hydroxy acetic acid] 

 

 

76.1 31.6  10.194  4.1 

ethanol 

 

×

 

46.1 52.1  8.181  3.3 

formaldehyde [methanal] 

 

×

 

30.0 40.0  8.136  3.3 

formic acid [methanoic acid] 

 

 

46.0 26.1  7.239  2.9 

propanoic acid 

 

 

74.1 48.6  3.916  1.6 

methanol 

 

×

 

32.0 37.5  3.737  1.5 

lactic acid [2-hydroxy-propanoic acid] 

 

 

90.1 40.0  3.079  1.2 

4-ethyl morpholine 

 

 

115.2 62.6  2.516  1.0 

urea 

 

 

60.1 20.0  2.415  1.0 

chloride 

×

 

 

35.5 0.0  1.465  0.6 

4-hydroxy-4-methyl-2-pentanone 

 

 

116.2 62.0  1.247  0.5 

2-butoxyethoxy-ethanol 

 

 

162.2 59.2  1.130  0.5 

4-acetyl morpholine 

 

 

129.2 55.8  1.092  0.4 

1-butanol 

 

×

 

74.1 64.8  0.937  0.4 

2-butoxyethanol 

 

 

118.2 61.0  0.803  0.3 

carbon disulfide 

×

 

×

 

76.1 15.8  0.785  0.3 

octanoic acid 

 

 

144.2 66.6  0.665  0.3 

zinc 

×

 

 

65.4 0.0  0.650  0.3 

N,N-dimethylformamide [N,N-dimethyl formic acid amide] 

 

 

73.1 49.3  0.608  0.2 

total protein 

 

 

3,206.3 53.0  0.600  0.2 

hexanoic acid 

 

 

116.2 62.0  0.582  0.2 

isocitric acid [1-hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylic acid] 

 

 

192.1 37.5  0.576  0.2 

dibutyl amine 

 

 

129.2 74.3  0.566  0.2 

potassium 

×

 

 

39.1 0.0  0.542  0.2 

constituents totaling less than 5% 

 

 

  9.546 

3.8 

nitrite 

×

 

 

46.0 0.0  0.517  0.2 

2-ethoxyethanol 

 

×

 

90.1 53.3  0.504  0.2 

acetone [2-propanone] 

 

×

 

58.1 62.0  0.348  0.1 

magnesium 

×

 

 

24.3 0.0  0.282  0.1 

phenol 

 

×

 

94.1 76.6  0.204  0.1 

silver 

×

 

 

107.9 0.0  0.200  0.1 

acetaldehyde [ethanal] 

 

×

 

44.1 54.5  0.098  0.0 

cyclohexanone 

 

×

 

98.1 73.4  0.089  0.0 

nickel 

×

 

 

58.7 0.0  0.087  0.0 

acetophenone 

 

×

 

120.2 80.0  0.083  0.0 

calcium 

×

 

 

40.1 0.0  0.060  0.0 

sulfate 

×

 

 

96.1 0.0  0.052  0.0 

methylene chloride [dichloromethane] 

×

 

×

 

84.9 14.1  0.050  0.0 

manganese 

×

 

 

54.9 0.0  0.035  0.0 

methyl ethyl ketone [2-butanone] 

 

×

 

72.1 66.6  0.023  0.0 

iron 

×

 

 

55.9 0.0  0.008  0.0 

tetrachloroethene 

×

 

×

 

165.8 14.5  0.005  0.0 

copper 

×

 

 

63.6 0.0  0.004  0.0 

isobutyl methyl ketone [4-methyl-2-pentanone] 

 

×

 

100.2 72.0  0.002  0.0 

cadmium 

×

 

 

112.4 0.0  0.001  0.0 

lead 

×

 

 

207.2 0.0  0.001  0.0 

toluene 

 

×

 

92.1 91.2  0.001  0.0 

ethyl benzene 

 

×

 

106.2 90.5 

trace 

0.0 

benzene 

 

×

 

78.1 92.3 

trace 

0.0 

chloroform [trichloromethane] 

×

 

×

 

119.4 10.1 

trace 

0.0 

Total 

 

 

  

248.76 

100 

background image

 

 

103 

 

 

Table 4.6.6 details the contaminants from the crew shower stream. Subject to the cleansing agent 

employed, actual components in a shower greywater stream may vary. Carter (1998) developed this list based on the 
ISS program. Verostko, et al. (1989) and Wydeven and Golub (1990) also provide crew shower greywater models. 

Table 4.6.6 

Wastewater Contaminants in Crew Shower Stream 

Component 

C

M

A

MW 

Percent 
Carbon 

[%C] 

Loading 

Density 

[mg/L] 

Percent 

of 

Stream 

[%] 

sodium coconut acid-n-methyl taurate 

 

 

341.0 58.0 449.96  47.6 

chloride 

×

 

 

35.5 0.0 

106.54  11.3 

sodium 

 

 

23.0 0.0 

106.10  11.2 

bicarbonate 

 

 

61.0 19.7  39.10 

4.1 

total protein 

 

 

3,206.3 53.0  36.77 

3.9 

urea 

 

 

60.1 20.0  36.15 

3.8 

acetic acid [ethanoic acid] 

 

×

 

60.1 40.0  30.11 

3.2 

propanoic acid 

 

 

74.1 48.6  30.00 

3.2 

lactic acid [2-hydroxy-propanoic acid] 

 

 

90.1 40.0  24.16 

2.6 

potassium 

×

 

 

39.1 0.0 17.50  1.9 

ammonium 

×

 

 

18.0 0.0 16.80  1.8 

sulfate 

×

 

 

96.1 0.0 12.33  1.3 

constituents totaling less than 5% 

 

 

  

32.39 3.4 

ethanol 

 

×

 

46.1 52.1  3.08 

0.3 

ethylene glycol [1,2-ethandiol] 

 

×

 

62.1 38.7  2.51 

0.3 

methanol 

 

×

 

32.0 37.5  0.90 

0.1 

phenol 

 

×

 

94.1 76.6  0.37 

0.0 

acetone [2-propanone] 

 

×

 

58.1 62.0  0.21 

0.0 

formaldehyde [methanal] 

 

×

 

30.0 40.0  0.10 

0.0 

propionaldehyde [propanal] 

 

×

 

58.1 62.0  0.09 

0.0 

Total 

 

 

  

945.2 

100 

background image

 

 

104 

 

 

Table 4.6.7 details the contaminants from the crew hygiene stream derived from hand and oral cleansing 

operations. Subject to the cleansing agent employed, actual components in a hygiene greywater stream may vary. 
Carter (1998) developed this list based on the ISS program. Wydeven and Golub (1990) also provides a crew 
hygiene greywater model. 

Table 4.6.7 

Wastewater Contaminants in Crew Hygiene Stream 

Component 

C

M

A

MW 

Percent 
Carbon 

[%C] 

Loading 

Density 

[mg/L] 

Percent 

of 

Stream 

[%] 

sodium coconut acid-n-methyl taurate 

 

 

341.0 58.0 638.85  62.8 

sodium 

 

 

23.0 0.0 85.00  8.3 

chloride 

×

 

 

35.5 0.0 76.12  7.5 

lactic acid [2-hydroxy-propanoic acid] 

 

 

90.1 40.0  34.34 

3.4 

acetic acid [ethanoic acid] 

 

×

 

60.1 40.0  28.59 

2.8 

total protein 

 

 

3,206.3 53.0  25.04 

2.5 

bicarbonate 

 

 

61.0 19.7  24.44 

2.4 

sulfate 

×

 

 

96.1 0.0 11.09  1.1 

formic acid [methanoic acid] 

 

 

46.0 26.1  11.05 

1.1 

potassium 

×

 

 

39.1 0.0 10.78  1.1 

propanoic acid 

 

 

74.1 48.6  9.56 

0.9 

ethanol 

 

×

 

46.1 52.1  8.57 

0.8 

phosphate 

 

 

95.0 0.0  7.20  0.7 

constituents totaling less than 5% 

 

 

  

32.09 3.2 

methanol 

 

×

 

32.0 37.5  6.36 

0.6 

ammonium 

×

 

 

18.0 0.0  5.81  0.6 

ethylene glycol [1,2-ethandiol] 

 

×

 

62.1 38.7  1.58 

0.2 

1-propanol 

 

×

 

60.1 60.0  0.58 

0.1 

2-propanol 

 

×

 

60.1 60.0  0.26 

0.0 

phenol 

 

×

 

94.1 76.6  0.16 

0.0 

dimethyl disulfide 

×

 

 

94.2 25.5  0.13 

0.0 

acetone [2-propanone] 

 

×

 

58.1 62.0  0.09 

0.0 

pentane 

 

×

 

72.2 83.2  0.09 

0.0 

formaldehyde [methanal] 

 

×

 

30.0 40.0  0.07 

0.0 

propionaldehyde [propanal] 

 

×

 

58.1 62.0  0.05 

0.0 

1-butanol 

 

×

 

74.1 64.8  0.05 

0.0 

dimethyl sulfide 

×

 

×

 

62.1 38.7  0.05 

0.0 

carbon disulfide 

×

 

×

 

76.1 15.8  0.02 

0.0 

Total 

 

 

  

1,018.0 

100 

background image

 

 

105 

 

 

Table 4.6.8 lists the composition of unprocessed urine as derived from the human metabolic process. The 

reference is Putnam (1971). 

Table 4.6.8 

Wastewater Contaminants in Crew Urine Stream

 

Component 

C

M

A

MW 

Percent 
Carbon 

[%C] 

Loading 

Density 

[mg/L] 

Percent 

of 

Stream 

[%] 

urea 

 

 

60.1 20.0  13,400  36.2 

sodium chloride 

×

 

 

58.4 0.0  8,001 21.6 

potassium sulfate 

×

 

 

174.3 0.0  2,632  7.1 

potassium chloride 

×

 

 

74.6 0.0  1,641  4.4 

creatinine 

 

 

113.1 42.5  1,504  4.1 

ammonium hippurate 

×

 

 

196.2 55.1  1,250  3.4 

magnesium sulfate 

×

 

 

120.4 0.0  783  2.1 

ammonium nitrate 

×

 

 

80.0 0.0  756  2.0 

ammonium glucuronate 

×

 

 

211.2 34.1 

663  1.8 

potassium bicarbonate 

×

 

 

100.1 12.0 

661  1.8 

ammonium urate 

×

 

 

185.1 32.4 

518  1.4 

ammonium lactate 

×

 

 

107.1 33.6 

394  1.1 

uropepsin (as tyrosine) 

 

 

181.2 59.7 

381  1.0 

creatine 

 

 

131.1 36.6 

373  1.0 

glycine 

 

 

75.1 32.0 

315  0.9 

phenol 

 

×

 

94.1 76.6 

292  0.8 

ammonium L-glutamate 

×

 

 

164.2 36.3 

246  0.7 

potassium phosphate 

×

 

 

212.3 0.0  234  0.6 

histidine 

 

 

155.2 46.4 

233  0.6 

androsterone 

 

 

290.4 78.6 

174  0.5 

1-methylhistidine 

 

 

169.2 49.7 

173  0.5 

glucose 

 

 

180.2 40.0 

156  0.4 

imidazole 

 

 

68.1 52.9 

143  0.4 

magnesium carbonate 

×

 

 

84.3 14.2 

143  0.4 

taurine [2-aminoethanesulfonic acid] 

 

 

125.1 19.2 

138  0.4 

constituents totaling less than 5% 

 

 

 

 

1,487 4.0 

ammonium aspartate 

×

 

 

150.1 32.0 

135  0.4 

ammonium formate 

×

 

 

63.1 19.0 

88  0.2 

calcium phosphate 

×

 

 

310.2 0.0 

62  0.2 

ammonium pyruvate 

×

 

 

105.1 34.3 

44  0.1 

ammonium oxalate 

×

 

 

124.1 19.4 

37  0.1 

Total 

 

 

  

37,057 

100 

background image

 

 

106 

 

 

Table 4.6.9 lists anticipated contaminants from the latent condensate derived from experimental animals. 

Carter (1998) developed this list based on the ISS program. 

Table 4.6.9 

Wastewater Contaminants in Animal Latent Condensate

 

Component 

C

M

A

MW 

Percent 
Carbon 

[%C] 

Loading 

Density 

[mg/L] 

Percent 

of 

Stream 

[%] 

ammonium 

×

 

 

18.0 0.0 

581.88  81.9 

acetic acid [ethanoic acid] 

 

×

 

60.1 40.0  33.58 

4.7 

2-propanol 

 

×

 

60.1 60.0  14.76 

2.1 

acetone [2-propanone] 

 

×

 

58.1 62.0  14.69 

2.1 

phosphate 

 

 

95.0 0.0 12.09  1.7 

glycerol [1,2,3-propanetriol] 

 

 

92.1 39.1  11.23 

1.6 

total protein 

 

 

3,206.3 53.0  8.81 

1.2 

constituents totaling less than 5% 

 

 

  

16.36 2.3 

potassium 

×

 

 

39.1 0.0  5.07  0.7 

ethylene glycol [1,2-ethandiol] 

 

×

 

62.1 38.7  4.18 

0.6 

sulfate 

×

 

 

96.1 0.0  1.47  0.2 

methanol 

 

×

 

32.0 37.5  1.25 

0.2 

nitrate 

×

 

 

62.0 0.0  0.87  0.1 

chloride 

×

 

 

35.5 0.0  0.74  0.1 

calcium 

×

 

 

40.1 0.0  0.74  0.1 

2-butanol 

 

×

 

74.1 64.8  0.60 

0.1 

magnesium 

×

 

 

24.3 0.0  0.56  0.1 

barium 

×

 

 

137.3 0.0  0.53  0.1 

zinc 

×

 

 

65.4 0.0  0.41  0.1 

acetaldehyde [ethanal] 

 

×

 

44.1 54.5  0.33 

0.0 

formaldehyde [methanal] 

 

×

 

30.0 40.0  0.12 

0.0 

nickel 

×

 

 

58.7 0.0  0.08  0.0 

copper 

×

 

 

63.6 0.0  0.07  0.0 

phenol 

 

×

 

94.1 76.6  0.04 

0.0 

arsenic 

×

 

 

74.9 0.0  0.03  0.0 

iron 

×

 

 

55.9 0.0  0.02  0.0 

silver 

×

 

 

107.9 0.0  0.01  0.0 

manganese 

×

 

 

54.9 0.0  0.01  0.0 

Total 

 

 

  

710.55 

100 

4.6.3

 

Wastewater and Intermediate Water System Solution Formulations for Testing 

The following formulations provide standardized feed solutions for developmental hardware. Please see 

Verostko, et al. (2004) for additional details. Sections 4.6.3.1 and 4.6.3.2 present projected input wastewater streams 
from the crew cabin for a transit vehicle and an early planetary base, respectively. The concentrations and volumes 
for the transit mission wastewater stream are originate in literature describing wastewater for ISS. The wastewater 
volumes for the early planetary base originate from flowrates measured during the Advanced Water Recovery 
System test. These formulations provide researchers with two different feed wastewater streams for testing 
developmental water processing hardware. For completeness, both streams should be considered. 

Sections 4.6.3.3, 4.6.3.4, and 4.6.3.5 detail product streams from the biological water processor (BWP), a 

reverse osmosis (RO) system, and the air evaporation subsystem (AES), respectively, to provide authentic pre-
processed input streams for downstream hardware. These formulations of hardware product streams are based on 
data taken at Johnson Space Center during an Integrated Advanced Water Recovery Systems test. The tested 
configuration included a BWP coupled with a RO system. The BWP included a packed-bed denitrification reactor 
and a tubular nitrification reactor. An AES dewatered brine from the RO system. Though not represented in the data 
below, the dewatered brine and RO-system permeate were post-processed during testing with a mixed-media ion 
exchange bed and a series of ultraviolet-light lamps. Because water quality from actual water processing hardware 
may vary, nominal and worst-case formulations are listed for both the RO permeate and the AES condensate. The 
BWP effluent is an appropriate feed stream for developmental secondary processors while the RO permeate and the 
AES condensate formulations provide appropriate feed streams for developmental post-processors. 

background image

 

 

107 

 

 

4.6.3.1

 

Transit Mission Wastewater Ersatz 

4.6.3.1.1

 

T

RANSIT 

M

ISSION 

W

ASTEWATER 

E

RSATZ 

C

ONCENTRATE 

C

ONSTITUENT 

T

ABLES

 

Table 4.6.10 through Table 4.6.14 describe the components of the transit mission (TM) wastewater ersatz. 

The state of each constituent is indicated by its measured value. For solid constituents, a mass is listed. For liquid 
constituents, a volume is listed. In all cases, when applicable, the constituent purity or concentration is noted in the 
first column following the constituent name. When not otherwise noted, all constituent purities are greater than 99%. 
Final solution properties are listed in Table 4.6.15. The preparation instructions are presented in Section 4.6.3.1.2. 
For the original source, see Verostko, et al. (2004) 

Table 4.6.10 

Concentrate 1: Urine 1 – Organic Compounds for TM Wastewater Ersatz (C1)

 

143

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

urea NH

2

CONH

2

 60.06 52.021 

creatinine (98%) 

C

4

H

7

N

3

O 113.10 

5.221 

histidine, soluble (98%) 

C

6

H

9

N

3

O

2

 155.20 

0.958 

taurine C

2

H

5

NSO

3

 125.10 

0.556 

glutamic acid 

C

5

H

9

NO

4

 147.10 

1.660 

glucose (96%) 

C

6

H

12

O

6

 390.40 

2.636 

ammonium citrate (99%) 

(NH

4

)

2

C

6

H

5

O

7

 226.20 12.340 - 

ammonium formate (97%) 

NH

4

HCO

2

 

63.10 1.466 - 

ammonium oxalate monohydrate (NH

4

)

2

C

2

O

4

 142.10 

0.665 

 

Table 4.6.11 

Concentrate 2: Urine 2 – Inorganic Compounds for TM Wastewater Ersatz (C2)

 

144

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

sodium chloride 

NaCl 

58.40 

23.126 

magnesium chloride hexahydrate 

MgCl

2

•

6H

2

203.31 5.483  - 

potassium bicarbonate 

KHCO

3

 100.10 

2.197 

potassium carbonate 

K

2

CO

3

 138.21 

0.474 

potassium monobasic phosphate 

KH

2

PO

4

 136.09 

1.069 

potassium 

chloride 

KCl 

74.60 5.436 - 

potassium sulfate 

K

2

SO

4

 174.29 

7.424 

calcium chloride 

CaCl

2

 110.99 

0.221 

sodium sulfate 

Na

2

SO

4

 142.00 

4.144 

 

                                                           

143

  This solution is 10 times more concentrated than will be its constituents in the final TM wastewater ersatz. 

144

  This solution is 10 times more concentrated than will be its constituents in the final TM wastewater ersatz. 

background image

 

 

108 

 

 

Table 4.6.12 

Concentrate 3: Humidity Condensate for TM Wastewater Ersatz (C3)

 

145

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

acetic acid 

CH

3

CO

2

H 60.05 

- 0.441 

benzoic acid 

C

6

H

5

CO

2

H 122.20 

0.046 

benzyl alcohol 

C

6

H

5

CH

2

OH 108.14 

0.259 

ethanol C

2

H

6

O 46.07 

1.506 

acetone CH

3

COCH

3

 58.08 

-  0.030 

caprolactam C

6

H

11

NO 113.16 

0.191 

phenol C

6

H

5

OH 94.11 

0.027 

N,N-dimethylformamide HCON(CH

3

)

2

 73.10 

-  0.035 

ethylene glycol 

HOCH

2

CH

2

OH 62.07 - 

0.157 

4-ethyl morpholine 

C

6

H

13

NO 115.18 

- 0.072 

formaldehyde (37%) 

HCHO 

30.03 

0.461 

formic acid (96%) 

HCO

2

H 46.03 

0.208 

lactic acid 

CH

3

CH(OH)CO

2

H 90.08  - 

0.187 

methanol CH

3

OH 32.04 

0.218 

1,2-propanediol C

3

H

8

O

2

 76.09 

0.013 

2-propanol (CH

3

)

2

CHOH 60.10 

-  0.042 

propionic acid 

CH

3

CH

2

CO

2

H 74.08 

0.042 

urea NH

2

CONH

2

 60.06 

0.101 

 

Table 4.6.13 

Concentrate 4: Sabatier Product Water for TM Wastewater Ersatz (C4) 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

ammonium bicarbonate 

NH

4

HCO

3

 79.06 

2.611 

 

Table 4.6.14 

US Urine Pretreatment (per liter of wastewater) for TM Wastewater Ersatz 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

oxone 2KHSO

•

KHSO

•

K

2

SO

4

 

614.80 1.671  - 

potassium benzoate 

C

7

H

5

KO

2

 160.22 

0.334 

sulfuric acid, concentrated (96%, 36 Normal)  H

2

SO

4

 98.08 

0.615 

4.6.3.1.2

 

T

RANSIT 

M

ISSION 

W

ASTEWATER 

E

RSATZ 

F

ORMULATION 

P

ROCEDURE

 

1) Concentrate Preparation: 

•

 

Label four (4) 1-liter flasks â€œC1,†“C2,†“C3,†and â€œC4.† Add 750 mL of deionized water to each. 

•

 

For each concentrate, add the constituents listed in Table 4.6.10 through Table 4.6.14 above, one at a time 
and in the order listed. Mix thoroughly between constituents until each dissolves. 

•

 

Dilute each flask to 1 liter with deionized water and mix thoroughly to complete preparation of the 
concentrate mixes. 

•

 

Cap all concentrates and store under ambient conditions. (In other words, 

DO NOT REFRIGERATE

.) 

NOTE: DO NOT MAKE a Urine Pretreatment concentrate. (These constituents are added directly to the 1-Liter 
Working Solution in Step 3) 

                                                           

145

  This solution is 10 times more concentrated than will be its constituents in the final TM wastewater ersatz. 

background image

 

 

109 

 

 

2)  1-Liter Working Solution Preparation: 

•

 

Add 300 mL deionized water, 100 mL of solution C1, and 100 mL of solution C2 to a 1-liter flask, dilute to 
500 mL with deionized water, and mix thoroughly. 

3)  1-Liter Working Solution Preparation (continued): 

•

 

Add 1.671g oxone and 0.334 g potassium benzoate, and mix thoroughly. 

•

 

Slowly add 0.615 mL concentrated sulfuric acid. Mix thoroughly. 

•

 

The solution pH should be less than 2.4. 

4)  1-Liter Working Solution (concluded): 

•

 

Now add 100 mL of solution C3, and 50 mL of solution C4. 

•

 

Dilute with deionized water to 1 liter and mix thoroughly. 

5) Verification: 

•

 

Analyze working solution for cation, anion, pH, conductivity, total organic carbon (TOC), and total inorganic 
carbon (TIC). 

•

 

Target values for these solution properties are listed in Table 4.6.15. 

Table 4.6.15 

Average Solution Properties for Transit Mission Wastewater Ersatz 

Property or 

Concentration 

Formula Units 

Average 

Value 

Standard 

Deviation 

Reference 

potential of hydrogen 

pH 

 

2.6 

± 0.2 

Verostko, et al. (2004)

 

Conductivity  ÂµS 

12,352 

± 

1,853 

 

total organic carbon 

TOC 

mg/L 

2,209 

± 221 

 

total inorganic carbon 

TIC 

mg/L 

 

Chloride Cl

 -

 mg/L  1,870  Â± 

281 

 

Nitrite NO

2

 -

 mg-N/L 

-   

Nitrate NO

3

 -

 mg-N/L 

-   

Phosphate PO

4

 â€“3

 mg/L 

75 

± 

11   

Sulfate SO

4

 â€“2

 mg/L 

2,864 

± 

430  

Sodium Na

 +

 mg/L  1,045  Â± 

157 

 

Ammonium NH

4

 +

 mg-N/L  221 

± 

33  

potassium K

 +

 mg/L  1,387 Â± 

208 

 

calcium Ca

 +2

 mg/L 

7.95 

± 

1.2  

magnesium Mg

 +2

 mg/L 

64.0 

± 

10  

4.6.3.2

 

Early Planetary Base Wastewater Ersatz 

4.6.3.2.1

 

E

ARLY 

P

LANETARY 

B

ASE 

W

ASTEWATER 

E

RSATZ 

C

ONCENTRATE 

C

ONSTITUENT 

T

ABLES

 

Table 4.6.16 through Table 4.6.21 describe the components of the early planetary base (EPB) wastewater 

ersatz. The state of each constituent is indicated by its measured value. For solid constituents, a mass is listed. For 
liquid constituents, a volume is listed. In all cases, when applicable, the constituent purity or concentration is noted 
in the first column following the constituent name. When not otherwise noted, all constituent purities are greater 
than 99%. Final solution properties are listed in Table 4.6.22. The preparation instructions are presented in 
Section 4.6.3.2.2. For the original source, see Verostko, et al. (2004) 

background image

 

 

110 

 

 

Table 4.6.16 

Concentrate 1: Inorganic Compounds 1 for EPB Wastewater Ersatz (C1)

 

146

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

ammonium bicarbonate 

NH

4

HCO

3

 79.06 

23.002  - 

sodium bicarbonate 

NaHCO

3

 84.01 

2.118  - 

potassium bicarbonate 

KHCO

3

 100.10 0.462  - 

 

Table 4.6.17 

Concentrate 2:  Inorganic Compounds 2 for EPB Wastewater Ersatz (C2)

 

147

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

potassium chloride 

KCl 

74.60 

1.968 

sodium chloride 

NaCl 

58.40 

6.942 

potassium monobasic phosphate 

KH

2

PO

4

 136.09 1.661 - 

potassium sulfate 

K

2

SO

4

 174.29 1.595 - 

ammonium hydroxide, concentrated (29.34%) 

NH

4

OH 35.05 -  10.000 

 

Table 4.6.18 

Concentrate 3: Humidity Condensate for EPB Wastewater Ersatz (C3)

 

148

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

acetic acid 

CH

3

CO

2

H 60.05  -  0.927 

benzoic acid 

C

6

H

5

CO

2

H 122.20  0.096  - 

benzyl alcohol 

C

6

H

5

CH

2

OH 108.14 

0.542 

ethanol C

2

H

6

O 46.07 - 3.164 

acetone CH

3

COCH

3

 58.08  - 

0.039 

caprolactam C

6

H

11

NO 113.16  0.401  - 

phenol C

6

H

5

OH 94.11 0.057 - 

N,N-dimethylformamide HCON(CH

3

)

2

 73.10 

0.073 

ethylene glycol 

HOCH

2

CH

2

OH 62.07 

0.330 

4-ethyl morpholine 

C

6

H

13

NO 115.18  - 

0.150 

formaldehyde (37%) 

HCHO 

30.03 

0.967 

formic acid (96%) 

HCO

2

H 46.03  -  0.438 

lactic acid 

CH

3

CH(OH)CO

2

H 90.08 

0.393 

methanol CH

3

OH 32.04  -  0.457 

1,2-propanediol C

3

H

8

O

2

 76.09  -  1.980 

2-propanol (CH

3

)

2

CHOH 60.10 

0.195 

propionic acid 

CH

3

CH

2

CO

2

H 74.08 

0.236 

urea NH

2

CONH

2

 60.06  0.290  - 

 

Table 4.6.19 

Concentrate 4: Sabatier Product Water for EPB Wastewater Ersatz (C4)

 

149

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

ammonium bicarbonate 

NH

4

HCO

3

 79.06 

0.389 - 

 

                                                           

146

  This solution is 10 times more concentrated than will be its constituents in the final EPB wastewater ersatz. 

147

  This solution is 10 times more concentrated than will be its constituents in the final EPB wastewater ersatz. 

148

  This solution is 100 times more concentrated than will be its constituents in the final EPB wastewater ersatz. 

149

  This solution is 10 times more concentrated than will be its constituents in the final EPB wastewater ersatz. 

background image

 

 

111 

 

 

Table 4.6.20 

Concentrate 5: Hygiene Water for EPB Wastewater Ersatz (C5)

 

150

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

NASA Whole Body Shower Soap (40%) 

151

 

-  

30.076 

acetic acid 

CH

3

CO

2

H 60.05 - 

0.681 

urea NH

2

CONH

2

 60.06 0.180  - 

ethanol C

2

H

6

O 46.07 

-  0.130 

lactic acid 

CH

3

CH(OH)CO

2

H 90.08 

1.627 

methanol CH

3

OH 32.04 

0.060 

propionic acid 

CH

3

CH

2

CO

2

H 74.08  - 

0.246 

 

Table 4.6.21 

Concentrate 6: Urine Organics for EPB Wastewater Ersatz (C6)

 

152

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

urea NH

2

CONH

2

 60.06 1.595 

creatinine (98%) 

C

4

H

7

N

3

O 113.10 1.585 

histidine, soluble (98%) 

C

6

H

9

N

3

O

2

 155.20 0.291 

taurine C

2

H

5

NSO

3

 125.10  0.170 

glutamic acid 

C

5

H

9

NO

4

 147.10 0.509 

glucose (96%) 

C

6

H

12

O

6

 390.40 0.783  - 

ammonium citrate (99%) 

(NH

4

)

2

C

6

H

5

O

7

 226.20  3.712 

ammonium formate (97%) 

NH

4

HCO

2

 63.10 0.445  - 

ammonium oxalate monohydrate (NH

4

)

2

C

2

O

4

 142.10  0.182 

4.6.3.2.2

 

E

ARLY 

P

LANETARY 

B

ASE 

W

ASTEWATER 

E

RSATZ 

F

ORMULATION

 P

ROCEDURE

 

1) Concentrate Preparation: 

•

 

Label six (6) 1-liter flasks “C1,†“C2,†“C3,†“C4,†“C5,†and “C6.† Add 750 mL of deionized water to 
each. 

•

 

For each concentrate, add the constituents listed in Table 4.6.16 through Table 4.6.21 above, one at a time in 
the order listed, and mix thoroughly between constituents until each dissolves. 

•

 

Dilute each flask to 1 liter with deionized water and mix thoroughly to complete preparation of the 
concentrate mixes. 

•

 

Cap all concentrates and store under ambient conditions. (In other words, 

DO NOT REFRIGERATE

.) 

2) Working Solution: 

NOTE: DO NOT ADD solution C1 now. See Step 3 below. 

•

 

Add 300 mL deionized water, 100 mL of solution C2, 10 mL of solution C3, 100 mL of solution C4, 50 mL 
of solution C5, and 100 mL of solution C6 to a 1-liter flask. 

•

 

Dilute to 850 mL with deionized water and mix thoroughly. 

3) Working Solution (continued): 

•

 

Now slowly add 100 mL of solution C1. NOTE:  Be sure to add C1 last to prevent TIC loss. 

NOTE: Be sure to add solution C1 last to prevent loss of total inorganic carbon (TIC). 

4) pH Adjustment: 

•

 

If required, adjust pH to 8.9 ± 0.2 with 1.5 Normal 

ammonium hydroxide

 (NH

4

OH), using less than 7 mL. 

•

 

Add deionized water to make 1 liter and mix. 

                                                           

150

  This solution is 20 times more concentrated than will be its constituents in the final EPB wastewater ersatz. 

151

  â€œGeropon TC-42,†formerly â€œIgepon TC-42,†is manufactured by Rhodia North American Chemicals and is approximately 

60% water. See Ecolab (1998). 

152

  This solution is 10 times more concentrated than will be its constituents in the final EPB wastewater ersatz. 

background image

 

 

112 

 

 

5) Verification: 

•

 

Analyze working solution for cation, anion, pH, conductivity, total organic carbon (TOC), and total inorganic 
carbon (TIC). 

•

 

Target values for these solution properties are listed in Table 4.6.22. 

Table 4.6.22 

Average Solution Properties for Early Planetary Base Wastewater Ersatz 

Property or 

Concentration 

Formula Units 

Average 

Value 

Standard 

Deviation 

Reference 

potential of hydrogen 

pH 

 

8.9 

± 0.2 

Verostko, et al. (2004)

 

conductivity  

µS 

6,869 

± 

1,030 

 

total organic carbon 

TOC 

mg/L 

631 

± 63 

 

total 

inorganic 

carbon TIC mg/L 

391 

± 

59 

 

chloride Cl

 -

 mg/L 

514 

± 

77   

nitrite NO

2

 -

 

mg-N/L 

- -  

nitrate NO

3

 -

 

mg-N/L 

- -  

phosphate PO

4

 â€“3

 mg/L 

116 

± 

17 

 

sulfate SO

4

 â€“2

 mg/L 

88 

± 

13 

 

sodium Na

 +

 mg/L 

331 

± 

50 

 

ammonium NH

4

 +

 mg-N/L 

852 

± 

128 

 

potassium K

 +

 mg/L 

240 

± 

36   

calcium Ca

 +2

 

mg/L 

- -  

magnesium Mg

 +2

 

mg/L 

- -  

4.6.3.3

 

Biological Water Processor Effluent Ersatz 

4.6.3.3.1

 

B

IOLOGICAL 

W

ATER 

P

ROCESSOR 

E

FFLUENT 

E

RSATZ 

C

ONCENTRATE

 C

ONSTITUENT

 T

ABLES

 

Table 4.6.23 through Table 4.6.27 describe the components of the biological water processor (BWP) 

effluent ersatz. The state of each constituent is indicated by its measured value. For solid constituents, a mass is 
listed. For liquid constituents, a volume is listed. In all cases, when applicable, the constituent purity or 
concentration is noted in the first column following the constituent name. When not otherwise noted, all constituent 
purities are greater than 99%. Final solution properties are listed in Table 4.6.28. The preparation instructions are 
presented in Section 4.6.3.3.2. For the original source, see Verostko, et al. (2004) 

Table 4.6.23 

Concentrate 1: Inorganic Compounds 1 for BWP Effluent Ersatz (C1)

 

153

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

ammonium bicarbonate 

NH

4

HCO

3

 79.06 36.214 

 

                                                           

153

  This solution is 50 times more concentrated than will be its constituents in the final BWP effluent ersatz. 

background image

 

 

113 

 

 

Table 4.6.24 

Concentrate 2: Inorganic Compounds 2 for BWP Effluent Ersatz (C2)

 

154

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

ammonium chloride 

NH

4

Cl 53.49 

5.001  - 

sodium chloride 

NaCl 

58.40 

31.614 

sodium nitrite 

NaNO

2

 69.00 

1.230  - 

sodium nitrate 

NaNO

3

 84.99 

14.271  - 

potassium monobasic phosphate 

KH

2

PO

4

 136.09 8.591  - 

potassium bisulfate 

KHSO

4

 136.20 8.286  - 

potassium chloride 

KCl 

74.60 

13.681 

hydrochloric acid (concentrated, 37%) 

HCl 

36.46 

7.900 

 

Table 4.6.25 

Concentrate 3: Soluble Organic Compounds for BWP Effluent Ersatz (C3)

 

155

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

dextran (C

6

H

10

O

5

)

n

 (15k-20k) 

27.220 

glucuronic acid 

C

6

H

10

O

7

 194.10 2.690  - 

creatinine (98%) 

C

4

H

7

N

3

O 113.10 2.350 

urea NH

2

CONH

2

 60.06 2.500 

 

Table 4.6.26 

Concentrate 4: Insoluble Organic Compounds for BWP Effluent Ersatz (C4)

 

156

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

fructan (xanthan gum) 

0.450 

tyrosine C

9

H

11

NO

3

 181.20 0.596 

ibuprofen C

13

H

18

O

2

 206.30 0.757 

bis-2-ethylhexyl phathalate 

C

24

H

38

O

4

 390.60 0.736 

ethyl morpholine 

C

6

H

13

NO 115.17 0.626 

 

Table 4.6.27 

Concentrate 5: Volatile Organic Carbon Compounds for BWP Effluent Ersatz (C5)

 

157

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

acetic acid 

CH

3

CO

2

H 60.05  -  2.390 

lactic acid 

CH

3

CH(OH)CO

2

H 90.08 

2.360 

2-propanol (CH

3

)

2

CHOH 60.10 

2.140 

acetone CH

3

COCH

3

 58.08 

-  2.060 

ethanol C

2

H

6

O 46.07  - 2.850 

4.6.3.3.2

 

B

IOLOGICAL 

W

ATER 

P

ROCESSOR 

E

FFLUENT 

E

RSATZ 

F

ORMULATION 

P

ROCEDURE

 

1) Concentrate Preparation: 

•

 

Label five (5) 1-liter flasks â€œC1,†“C2,†“C3,†“C4,†and â€œC5.† Add 750 mL of deionized water to each. 

•

 

For each concentrate, add the constituents listed in Table 4.6.23 through Table 4.6.27 above, one at a time in 
the order listed, and mix thoroughly among constituents until each dissolves, except as noted below. 

NOTE: The constituents of solution C4 WILL NOT DISSOLVE completely. 

                                                           

154

  This solution is 50 times more concentrated than will be its constituents in the final BWP effluent ersatz. 

155

  This solution is 1,000 times more concentrated than will be its constituents in the final BWP effluent ersatz. 

156

  This solution has variable concentration based on the solubility of its constituents. This solution is more concentrated than 

will be its constituents in the final BWP effluent ersatz. 

157

  This solution is 100 times more concentrated than will be its constituents in the final BWP effluent ersatz. 

background image

 

 

114 

 

 

•

 

Dilute each flask to 1 liter with deionized water and mix thoroughly to complete preparation of the 
concentrate mixes. 

•

 

Cap all concentrates and store under ambient conditions. (In other words, 

DO NOT REFRIGERATE

.) 

2) Working Solution: 

NOTE: DO NOT ADD solution C1 now. See Step 3 below. 

•

 

Add, to a 1-liter flask, 300 mL deionized water, 20 mL of solution C2, and 3.6 mL of solution C3 

•

 

Add, to the solution above, 10.22 mL of solution C4 filtered through a #4 Whatman filter paper. 

•

 

Add, to the solution above, 0.094 mL of solution C5. 

•

 

Dilute to 950 mL with deionized water and mix thoroughly. 

3) Working Solution (continued): 

•

 

Now slowly add 20 mL of solution C1. 

NOTE: Be sure to add solution C1 last to prevent loss of total inorganic carbon (TIC). 

4) pH Adjustment: 

•

 

If required, adjust pH to 6.6 ± 0.2 with 1.5 Normal 

ammonium hydroxide

 (NH

4

OH), using less than 500 µL. 

•

 

Add deionized water to make 1 liter and mix. 

5) Verification: 

•

 

Analyze working solution for cation, anion, pH, conductivity, total organic carbon (TOC), and total inorganic 
carbon (TIC). 

•

 

Target values for these solution properties are listed in Table 4.6.28. 

Table 4.6.28 

Average Solution Properties for Biological Water Processor Effluent Ersatz 

Property or 

Concentration 

Formula Units 

Average 

Value 

Standard 

Deviation 

Reference 

potential of hydrogen 

pH 

 

6.6 

± 0.2 

Verostko, et al. (2004)

 

conductivity  

µS 

3,802 

± 

570 

 

total organic carbon 

TOC 

mg/L 

51 

± 5.1 

 

total 

inorganic 

carbon TIC mg/L  110 

± 

17  

chloride Cl

 -

 mg/L  608 

± 

91 

 

nitrite NO

2

 -

 mg-N/L  5.0 

± 

0.7   

nitrate NO

3

 -

 mg-N/L 

47 

± 

7.1   

phosphate PO

4

 â€“3

 mg/L  120 

± 

18  

sulfate SO

4

 â€“2

 mg/L  117 

± 

18  

sodium Na

 +

 mg/L  334 

± 

50  

ammonium NH

4

 +

 mg-N/L  154 

± 

23   

potassium K

 +

 mg/L  240 

± 

36 

 

calcium Ca

 +2

 mg/L 

-   

magnesium Mg

 +2

 mg/L 

-   

4.6.3.4

 

Reverse Osmosis Subsystem Permeate Ersatz 

The reverse osmosis subsystem permeate ersatz is presented for both nominal and worst-case possibilities. 

4.6.3.4.1

 

R

EVERSE 

O

SMOSIS 

P

ERMEATE 

(N

OMINAL

)

 

E

RSATZ 

C

ONCENTRATE

 C

ONSTITUENT

 T

ABLES

 

Table 4.6.29 through Table 4.6.33 describe the components of the nominal reverse osmosis (RO) permeate 

ersatz. The state of each constituent is indicated by its measured value. For solid constituents, a mass is listed. For 
liquid constituents, a volume is listed. In all cases, when applicable, the constituent purity or concentration is noted 
in the first column following the constituent name. When not otherwise noted, all constituent purities are greater 
than 99%. Final solution properties are listed in Table 4.6.34. The preparation instructions are presented in 
Section 4.6.3.4.2. For the original source, see Verostko, et al. (2004) 

background image

 

 

115 

 

 

Table 4.6.29 

Concentrate 1: Inorganic Compounds 1 for RO Permeate (Nominal) Ersatz (C1)

 

158

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

ammonium bicarbonate 

NH

4

HCO

3

 

79.06 9.221 - 

 

Table 4.6.30 

Concentrate 2: Inorganic Compounds 2 for RO Permeate (Nominal) Ersatz (C2)

 

159

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

sodium nitrite 

NaNO

2

 

69.00 0.896 - 

magnesium sulfate 

MgSO

4

 120.40 

0.005 

potassium sulfate 

K

2

SO

4

 174.29 

0.449 

sodium 

chloride 

NaCl 

58.40 3.857 - 

potassium monobasic phosphate 

KH

2

PO

4

 136.09 

0.152 

calcium chloride 

CaCl

2

 110.99 

0.031 

potassium nitrate 

KNO

3

 101.10 

3.142 

nitric acid (0.1 Normal) 

HNO

3

 63.01 

51.140 

hydrochloric acid (concentrated, 37%) 

HCl 

36.46 

1.500 

 

Table 4.6.31 

Concentrate 3: Soluble Organic Compounds for RO Permeate (Nominal) Ersatz (C3)

 

160

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

dextran (C

6

H

10

O

5

)

n

 (15k-20k) 

27.220 

glucuronic acid 

C

6

H

10

O

7

 194.10 

2.690 

creatinine (98%) 

C

4

H

7

N

3

O 113.10 

2.350 

urea NH

2

CONH

2

  60.06 2.500 - 

 

Table 4.6.32 

Concentrate 4: Insoluble Organic Compounds for RO Permeate (Nominal) Ersatz (C4)

 

161

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

fructan (xanthan gum) 

0.450 

tyrosine C

9

H

11

NO

3

 181.20 

0.596 

ibuprofen C

13

H

18

O

2

 206.30 

0.757 

bis-2-ethylhexyl phathalate 

C

24

H

38

O

4

 390.60 

0.736 

ethyl morpholine 

C

6

H

13

NO 115.17 

0.626 

 

Table 4.6.33 

Concentrate 5: Volatile Organic Compounds for RO Permeate (Nominal) Ersatz (C5)

 

162

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

acetic acid 

CH

3

CO

2

H 60.05 

-  2.390 

lactic acid 

CH

3

CH(OH)CO

2

H 90.08 

2.360 

2-propanol (CH

3

)

2

CHOH 60.10 - 

2.140 

acetone CH

3

COCH

3

 58.08 

2.060 

ethanol C

2

H

6

O 46.07 

2.850 

                                                           

158

  This solution is 100 times more concentrated than will be its constituents in the final nominal RO permeate ersatz. 

159

  This solution is 100 times more concentrated than will be its constituents in the final nominal RO permeate ersatz. 

160

  This solution is 1,000 times more concentrated than will be its constituents in the final nominal RO permeate ersatz. 

161

  This solution has variable concentration based on the solubility of its constituents. This solution is more concentrated than 

will be its constituents in the final nominal RO permeate ersatz. 

162

  This solution is 1,000 times more concentrated than will be its constituents in the final nominal RO permeate ersatz. 

background image

 

 

116 

 

 

4.6.3.4.2

 

R

EVERSE 

O

SMOSIS 

P

ERMEATE 

(N

OMINAL

)

 

E

RSATZ 

F

ORMULATION

 P

ROCEDURE

 

1) Concentrate Preparation: 

•

 

Label five (5) 1-liter flasks â€œC1,†“C2,†“C3,†“C4,†and â€œC5.† Add 750 mL of deionized water to each. 

•

 

For each concentrate, add the constituents listed in Table 4.6.29 through Table 4.6.33 above, one at a time in 
the order listed, and mix thoroughly between constituents until each dissolves, except as noted below. 

NOTE: The constituents of solution C4 WILL NOT DISSOLVE completely. 

•

 

Dilute each flask to 1 liter with deionized water and mix thoroughly to complete preparation of the 
concentrate mixes. 

•

 

Cap all concentrates and store under ambient conditions. (In other words, 

DO NOT REFRIGERATE

.) 

2) Working Solution: 

NOTE: DO NOT ADD solution C1 now. See Step 3 below. 

•

 

Add, to a 1-liter flask, 300 mL deionized water, 10 mL of solution C2, and 0.040 mL of solution C3. 

•

 

Add, to the solution above, 1.023 mL of solution C4 filtered through a #4 Whatman filter paper. 

•

 

Add, to the solution above, 0.070 mL of solution C5. 

•

 

Dilute to 950 mL with deionized water and mix thoroughly. 

3) Working Solution (continued): 

•

 

Now slowly add 10 mL of solution C1. 

NOTE: Be sure to add solution C1 last to prevent loss of total inorganic carbon (TIC). 

4) pH Adjustment: 

•

 

If required, adjust pH to 6.6 ± 0.2 with 0.14 Normal 

hydrochloric acid

 (HCl), using less than 300 ÂµL. 

•

 

Add deionized water to make 1 liter and mix. 

5) Verification: 

•

 

Analyze working solution for cation, anion, pH, conductivity, total organic carbon (TOC), and total inorganic 
carbon (TIC). 

•

 

Target values for these solution properties are listed in Table 4.6.34. 

Table 4.6.34 

Average Solution Properties for Reverse Osmosis Permeate (Nominal) Ersatz 

Property or 

Concentration 

Formula Units 

Average 

Value 

Standard 

Deviation 

Reference 

potential of hydrogen 

pH 

 

6.6 

± 0.2 

Verostko, et al. (2004)

 

conductivity  

µS 

285 

± 

43 

 

total organic carbon 

TOC 

mg/L 

1.4 

± 0.5 

 

total inorganic carbon 

TIC 

mg/L 

14 

± 2.1 

 

chloride Cl

 -

 mg/L 

32 

± 

4.8   

nitrite NO

2

 -

 mg-N/L 

1.8 

± 

0.3 

 

nitrate NO

3

 -

 mg-N/L 

5.1 

± 

0.8 

 

phosphate PO

4

 â€“3

 mg/L  1.06 

± 

0.2 

 

sulfate SO

4

 â€“2

 mg/L  2.5 

± 

0.4 

 

sodium Na

 +

 mg/L 18 

± 

2.7   

ammonium NH

4

 +

 mg-N/L 

16 

± 

2.5 

 

potassium K

 +

 mg/L 

14 

± 

2.0   

calcium Ca

 +2

 

mg/L 

- -  

magnesium Mg

 +2

 

mg/L 

- -  

background image

 

 

117 

 

 

4.6.3.4.3

 

R

EVERSE 

O

SMOSIS 

P

ERMEATE 

(W

ORST

-

CASE

)

 

E

RSATZ 

C

ONCENTRATE

 C

ONSTITUENT

 T

ABLES

 

Table 4.6.35 through Table 4.6.39 describe components of the worst-case reverse osmosis (RO) permeate 

ersatz. The state of each constituent is indicated by its measured value. For solid constituents, a mass is listed. For 
liquid constituents, a volume is listed. In all cases, when applicable, the constituent purity or concentration is noted 
in the first column following the constituent name. When not otherwise noted, all constituent purities are greater 
than 99%. Final solution properties are listed in Table 4.6.40. The preparation instructions are presented in 
Section 4.6.3.4.4. For the original source, see Verostko, et al. (2004) 

Table 4.6.35 

Concentrate 1: Inorganic Compounds 1 for RO Permeate (Worst-case) Ersatz (C1)

 

163

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

ammonium bicarbonate 

NH

4

HCO

3

 79.06 11.878 

 

Table 4.6.36 

Concentrate 2: Inorganic Compounds 2 for RO Permeate (Worst-case) Ersatz (C2)

 

164

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

sodium nitrite 

NaNO

2

 69.00 

1.364 

sodium chloride 

NaCl 

58.40 

5.373 

magnesium sulfate 

MgSO

4

 120.40 

0.130 

potassium nitrate 

KNO

3

 101.10 

4.136 

potassium sulfate 

K

2

SO

4

 174.29 

0.456 

calcium chloride 

CaCl

2

 110.99 

0.146 

potassium monobasic phosphate 

KH

2

PO

4

 136.09 0.188 

nitric acid (0.1 Normal) 

HNO

3

 63.01 

63.520 

ammonium hydroxide (1.5 Normal) 

NH

4

OH 35.05 

46.000 

hydrochloric acid (concentrated, 37%) 

HCl 

36.46 

6.500 

 

Table 4.6.37 

Concentrate 3: Soluble Organic Compounds for RO Permeate (Worst-case) Ersatz (C3)

 

165

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

dextran (C

6

H

10

O

5

)

n

 (15k-20k) 

27.220 

glucuronic acid 

C

6

H

10

O

7

 194.10  2.690 

creatinine (98%) 

C

4

H

7

N

3

O 113.10  2.350 

urea NH

2

CONH

2

 60.06  2.50 

 

Table 4.6.38 

Concentrate 4: Insoluble Organic Compounds for RO Permeate (Worst-case) Ersatz (C4)

 

166

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

fructan (xanthan gum) 

0.450 

tyrosine C

9

H

11

NO

3

 181.20 0.596 

ibuprofen C

13

H

18

O

2

 206.30 0.757 

bis-2-ethylhexyl phathalate 

C

24

H

38

O

4

 390.60 0.736 

ethyl morpholine 

C

6

H

13

NO 115.17 0.626 

 

                                                           

163

  This solution is 100 times more concentrated than will be its constituents in the final worst-case RO permeate ersatz. 

164

  This solution is 100 times more concentrated than will be its constituents in the final worst-case RO permeate ersatz. 

165

  This solution is 1,000 times more concentrated than will be its constituents in the final worst-case RO permeate ersatz. 

166

  This solution has variable concentration based on the solubility of its constituents. This solution is more concentrated than 

will be its constituents in the final worst-case RO permeate ersatz. 

background image

 

 

118 

 

 

Table 4.6.39 

Concentrate 5: Volatile Organic Compounds for RO Permeate (Worst-case) Ersatz (C5)

 

167

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

acetic acid 

CH

3

CO

2

H 60.05  -  2.390 

lactic acid 

CH

3

CH(OH)CO

2

H 90.08 

2.360 

2-propanol (CH

3

)

2

CHOH 60.10 

2.140 

acetone CH

3

COCH

3

 58.08 

-  2.060 

ethanol C

2

H

6

O 46.07  - 2.850 

4.6.3.4.4

 

R

EVERSE 

O

SMOSIS 

P

ERMEATE 

(W

ORST

-

CASE

)

 

E

RSATZ 

F

ORMULATION

 P

ROCEDURE

 

1) Concentrate Preparation: 

•

 

Label five (5) 1-liter flasks â€œC1,†“C2,†“C3,†“C4,†and â€œC5.† Add 750 mL of deionized water to each. 

•

 

For each concentrate, add the constituents listed in Table 4.6.35 through Table 4.6.39 above, one at a time in 
the order listed, and mix thoroughly between constituents until each dissolves, except as noted below. 

NOTE: The constituents of solution C4 WILL NOT DISSOLVE completely. 

•

 

Dilute each flask to 1 liter with deionized water and mix thoroughly to complete preparation of the 
concentrate mixes. 

•

 

Cap all concentrates and store under ambient conditions. (In other words, 

DO NOT REFRIGERATE

.) 

2) Working Solution: 

NOTE: DO NOT ADD solution C1 now. See Step 3 below. 

•

 

Add, to a 1-liter flask, 300 mL deionized water, 10 mL of solution C2, and 0.30 mL of solution C3. 

•

 

Add, to the solution above, 1.53 mL of solution C4 filtered through a #4 Whatman filter paper. 

•

 

Add, to the solution above, 0.094 mL of solution C5. 

•

 

Dilute to 950 mL with deionized water and mix thoroughly. 

3) Working Solution (continued): 

•

 

Now slowly add 10 mL of solution C1. 

NOTE: Be sure to add solution C1 last to prevent loss of total inorganic carbon (TIC). 

4) pH Adjustment: 

•

 

If required, adjust pH to 7.3 ± 0.2 with 1.5 Normal 

ammonium hydroxide

 (NH

4

OH), using less than 30 ÂµL. Add 

deionized water to make 1 liter and mix. 

5) Verification: 

•

 

Analyze working solution for cation, anion, pH, conductivity, total organic carbon (TOC), and total inorganic 
carbon (TIC). 

•

 

Target values for these solution properties are listed in Table 4.6.40. 

                                                           

167

  This solution is 1,000 times more concentrated than will be its constituents in the final worst-case RO permeate ersatz. 

background image

 

 

119 

 

 

Table 4.6.40 

Average Solution Properties for Reverse Osmosis Permeate (Worst-case) Ersatz 

Property or 

Concentration 

Formula Units 

Average 

Value 

Standard 

Deviation 

Reference 

potential of hydrogen 

pH 

 

7.3 

± 0.2 

Verostko, et al. (2004)

 

conductivity  

µS 

382 

± 

57 

 

total organic carbon 

TOC 

mg/L 

± 1.5 

 

total inorganic carbon 

TIC 

mg/L 

17.9 

± 2.7 

 

chloride Cl

 -

 mg/L 

62 

± 

9.3   

nitrite NO

2

 -

 mg-N/L 

2.8 

± 

0.4 

 

nitrate NO

3

 -

 mg-N/L 

6.6 

± 

1.0 

 

phosphate PO

4

 -3

 mg/L  1.32 

± 

0.2 

 

sulfate SO

4

 -2

 mg/L  3.6 

± 

0.5 

 

sodium Na

 +

 mg/L 26 

± 

3.8   

ammonium NH

4

 +

 mg-N/L 

26 

± 

4.0 

 

potassium K

 +

 mg/L 

17.5  Â± 

2.6   

calcium Ca

 +2

 

mg/L 

- -  

magnesium Mg

 +2

 

mg/L 

- -  

4.6.3.5

 

Air Evaporation Subsystem Condensate Ersatz 

The air evaporation subsystem condensate ersatz is presented for both nominal and worst-case possibilities. 

4.6.3.5.1

 

A

IR 

E

VAPORATION 

C

ONDENSATE 

(N

OMINAL

)

 

E

RSATZ 

C

ONCENTRATE

 C

ONSTITUENT

 T

ABLES

 

Table 4.6.41 through Table 4.6.44 describe the components of the nominal air evaporation condensate 

subsystem (AES) ersatz. The state of each constituent is indicated by its measured value. For solid constituents, a 
mass is listed. For liquid constituents, a volume is listed. In all cases, when applicable, the constituent purity or 
concentration is noted in the first column following the constituent name. When not otherwise noted, all constituent 
purities are greater than 99%. Final solution properties are listed in Table 4.6.45. The preparation instructions are 
presented in Section 4.6.3.5.2. For the original source, see Verostko, et al. (2004) 

Table 4.6.41 

Concentrate 1: Inorganic Compounds for AES Condensate (Nominal) Ersatz (C1)

 

168

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

ammonium bicarbonate 

NH

4

HCO

3

 79.06 

34.308  - 

ammonium hydroxide, concentrated (29.34%) 

NH

4

OH 35.05 

1.000 

 

Table 4.6.42 

Concentrate 3: Soluble Organic Compounds for AES Condensate (Nominal) Ersatz (C3)

 

169

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

dextran (C

6

H

10

O

5

)

n

 (15k-20k) 

27.222 

glucuronic acid 

C

6

H

10

O

7

 194.10  2.694 

creatinine (98%) 

C

4

H

7

N

3

O 113.10  2.354 

urea NH

2

CONH

2

 60.06  2.500 

 

                                                           

168

  This solution is 100 times more concentrated than will be its constituents in the final nominal AES condensate ersatz. 

169

  This solution is 1,000 times more concentrated than will be its constituents in the final nominal AES condensate ersatz. 

background image

 

 

120 

 

 

Table 4.6.43 

Concentrate 4: Insoluble Organic Compounds for AES Condensate (Nominal) Ersatz C4)

 

170

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

fructan (xanthan gum) 

0.450 

tyrosine C

9

H

11

NO

3

 181.20 0.596 

ibuprofen C

13

H

18

O

2

 206.30 0.757  - 

bis-2-ethylhexyl phathalate 

C

24

H

38

O

4

 390.60 0.736  - 

ethyl morpholine 

C

6

H

13

NO 115.17 0.626 

 

Table 4.6.44 

Concentrate 5: Volatile Organic Compounds for AES Condensate (Nominal) Ersatz (C5)

 

171

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

acetic acid 

CH

3

CO

2

H 60.05  -  2.390 

lactic acid 

CH

3

CH(OH)CO

2

H 90.08 

2.360 

2-propanol (CH

3

)

2

CHOH 60.10 

2.140 

acetone CH

3

COCH

3

 58.08 

-  2.060 

ethanol C

2

H

6

O 46.07  - 2.850 

4.6.3.5.2

 

A

IR 

E

VAPORATION 

C

ONDENSATE 

(N

OMINAL

)

 

E

RSATZ 

F

ORMULATION

 P

ROCEDURE

 

1) Concentrate Preparation: 

•

 

Label four 1-liter flasks â€œC1,†“C3,†“C4,†and “C5.† Add 750 mL of deionized water to each. 

•

 

For each concentrate, add the constituents listed in Table 4.6.41 through Table 4.6.44 above, one at a time in 
the order listed, and mix thoroughly between constituents until each dissolves, except as noted below. 

NOTE: The constituents of solution C4 WILL NOT DISSOLVE completely. 

•

 

Dilute each flask to 1 liter with deionized water and mix thoroughly to complete preparation of the 
concentrate mixes. 

•

 

Cap all concentrates and store under ambient conditions. (In other words, 

DO NOT REFRIGERATE

.) 

2) Working Solution: 

•

 

Add, to a 1-liter flask, 300 mL deionized water, 10 mL of solution C1, and 0.24 mL of solution C3. 

•

 

Add, to the solution above, 2.04 mL of solution C4 filtered through a #4 Whatman filter paper. 

•

 

Add, to the solution above, 0.094 mL of solution C5. 

•

 

Dilute to 980 mL with deionized water and mix thoroughly. 

3) pH Adjustment: 

•

 

If required, adjust pH to 8.1 ± 0.2 with 1.5 Normal 

ammonium hydroxide

 (NH

4

OH), using less than 250 µL. 

•

 

Add deionized water to make 1 liter and mix. 

4) Verification: 

•

 

Analyze working solution for cation, anion, pH, conductivity, total organic carbon (TOC), and total inorganic 
carbon (TIC). 

•

 

Target values for these solution properties are listed in Table 4.6.45. 

                                                           

170

  This solution has variable concentration based on the solubility of its constituents. This solution is more concentrated than 

will be its constituents in the final nominal AES condensate ersatz. 

171

  This solution is 1,000 times more concentrated than will be its constituents in the final nominal AES condensate ersatz. 

background image

 

 

121 

 

 

Table 4.6.45 

Average Solution Properties for Air Evaporation Condensate (Nominal) Ersatz 

Property or 

Concentration 

Formula Units 

Average 

Value 

Standard 

Deviation 

Reference 

potential of hydrogen 

pH 

 

8.0 

± 0.2 

Verostko, et al. (2004)

 

conductivity  

µS 

507 

± 

76 

 

total organic carbon 

TOC 

mg/L 

4.5 

± 1.5 

 

total inorganic carbon 

TIC 

mg/L 

52 

± 7.8 

 

chloride 

Cl 

mg/L 

- -  

nitrite 

NO2 

mg-N/L 

- -  

nitrate 

NO3 

mg-N/L 

- -  

phosphate  PO4 

-3 

mg/L 

- -  

sulfate 

SO4 

-2 

mg/L 

- -  

sodium 

Na 

mg/L 

- -  

ammonium NH4 

mg-N/L 

64.0 

± 

9.6 

 

potassium  K 

mg/L 

- -  

calcium 

Ca 

+2 

mg/L 

- -  

magnesium  Mg 

+2 

mg/L 

- -  

4.6.3.5.3

 

A

IR 

E

VAPORATION 

C

ONDENSATE 

(W

ORST

-

CASE

)

 

E

RSATZ 

C

ONCENTRATE

 C

ONSTITUENT

 T

ABLES

 

Table 4.6.46 through Table 4.6.49 describe the components of the worst-case air evaporation subsystem 

(AES) condensate ersatz. The state of each constituent is indicated by its measured value. For solid constituents, a 
mass is listed. For liquid constituents, a volume is listed. In all cases, when applicable, the constituent purity or 
concentration is noted in the first column following the constituent name. When not otherwise noted, all constituent 
purities are greater than 99%. Final solution properties are listed in Table 4.6.50. The preparation instructions are 
presented in Section 4.6.3.5.4. For the original source, see Verostko, et al. (2004) 

Table 4.6.46 

Concentrate 1: Inorganic Compounds for AES Condensate (Worst-case) Ersatz (C1)

 

172

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

ammonium carbonate 

(NH

4

)

2

CO

3

 96.09 

12.501 

ammonium hydroxide, concentrated (29.34%)  NH

4

OH 35.05 

- 10.000 

 

Table 4.6.47 

Concentrate 3: Effluent Soluble Organic Compounds 

for AES Condensate (Worst-case) Ersatz (C3)

 

173

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

dextran (C

6

H

10

O

5

)

n

 (15k-20k) 

27.222 

glucuronic acid 

C

6

H

10

O

7

 194.10 

2.694 

creatinine (98%) 

C

4

H

7

N

3

O 113.10 

2.354 

urea NH

2

CONH

2

 60.06 2.500 - 

 

                                                           

172

  This solution is 100 times more concentrated than will be its constituents in the final worst-case AES condensate ersatz. 

173

  This solution is 1,000 times more concentrated than will be its constituents in the final worst-case AES condensate ersatz. 

background image

 

 

122 

 

 

Table 4.6.48 

Concentrate 4: Insoluble Organic Compounds 

for AES Condensate (Worst-case) Ersatz (C4)

 

174

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

fructan (xanthan gum) 

0.450 

tyrosine C

9

H

11

NO

3

 181.20 

0.596 

ibuprofen C

13

H

18

O

2

 206.30 

0.757 

bis-2-ethylhexyl phathalate 

C

24

H

38

O

4

 390.60 

0.736 

ethyl morpholine 

C

6

H

13

NO 115.17 

0.626 

 

Table 4.6.49 

Concentrate 5: Volatile Organic Compounds 

for AES Condensate (Worst-case) Ersatz (C5)

 

175

 

Constituent 

Chemical 

Formula 

Molecular

Weight 

Constituent 

Mass 

[g] 

Constituent

Volume 

[mL] 

acetic acid 

CH

3

CO

2

H 60.05 

-  2.390 

lactic acid 

CH

3

CH(OH)CO

2

H 90.08 

2.360 

2-propanol (CH

3

)

2

CHOH 60.10  - 

2.140 

acetone CH

3

COCH

3

 58.08 

2.060 

ethanol C

2

H

6

O 46.07 

2.850 

4.6.3.5.4

 

A

IR 

E

VAPORATION 

C

ONDENSATE 

(W

ORST

-

CASE

)

 

E

RSATZ 

F

ORMULATION

 P

ROCEDURE

 

1) Concentrate Preparation: 

•

 

Label four (4) 1-liter flasks â€œC1,†“C3,†“C4,†and â€œC5.† Add 750 mL of deionized water to each. 

•

 

For each concentrate, add the constituents listed in Table 4.6.46 through Table 4.6.49 above, one at a time in 
the order listed, and mix thoroughly between constituents until each dissolves, except as noted below. 

NOTE: The constituents of solution C4 WILL NOT DISSOLVE completely. 

•

 

Dilute each flask to 1 liter with deionized water and mix thoroughly to complete preparation of the 
concentrate mixes. 

•

 

Cap all concentrates and store under ambient conditions. (In other words, 

DO NOT REFRIGERATE

.) 

2) Working Solution: 

•

 

Add, to a 1-liter flask, 300 mL deionized water, 60 mL of solution C1, and 0.56 mL of solution C3. 

•

 

Add, to the solution above, 4.09 mL of solution C4 filtered through a #4 Whatman filter paper. 

•

 

Add, to the solution above, 0.094 mL of solution C5. 

•

 

Dilute to 980 mL with deionized water and mix thoroughly. 

3) pH Adjustment: 

•

 

If required, adjust pH to 9.4 ± 0.2 with 1.5 Normal 

ammonium hydroxide

 (NH

4

OH), using less than 6 mL. Add 

deionized water to make 1 liter and mix. 

4) Verification: 

•

 

Analyze working solution for cation, anion, pH, conductivity, total organic carbon (TOC), and total inorganic 
carbon (TIC). 

•

 

Target values for these solution properties are listed in Table 4.6.50. 

                                                           

174

  This solution has variable concentration based on the solubility of its constituents. This solution is more concentrated than 

will be its constituents in the final worst-case AES condensate ersatz. 

175

  This solution is 1,000 times more concentrated than will be its constituents in the final worst-case AES condensate ersatz. 

background image

 

 

123 

 

 

Table 4.6.50 

Average Solution Properties for Air Evaporation Condensate (Worst-case) Ersatz 

Property or 

Concentration 

Formula Units 

Average 

Value 

Standard 

Deviation 

Reference 

potential of hydrogen 

pH 

 

9.4 

± 0.2 

Verostko, et al. (2004)

 

conductivity  

µS 

1,286 

± 

193 

 

total organic carbon 

TOC 

mg/L 

9.5 

± 3.0 

 

total inorganic carbon 

TIC 

mg/L 

94 

± 14 

 

chloride Cl

 -

 

mg/L 

- -  

nitrite NO

2

 -

 

mg-N/L 

- -  

nitrate NO

3

 -

 

mg-N/L 

- -  

phosphate PO

4

 -3

 

mg/L 

- -  

sulfate SO

4

 -2

 

mg/L 

- -  

sodium Na

 +

 

mg/L 

- -  

ammonium NH

4

 +

 mg-N/L 

636 

± 

95 

 

potassium K

 +

 

mg/L 

- -  

calcium Ca

 +2

 

mg/L 

- -  

magnesium Mg

 +2

 

mg/L 

- -  

 

background image

 

 

124 

 

 

5

 

Life Support External Interface Assumptions and Values 

5.1

 

Cooling External Interface 

The Cooling External Interface takes thermal loads from the Thermal Subsystem and rejects those loads to 

the environment. Accordingly, within this manuscript, the Cooling External Interface masses are treated as 
infrastructure. Detailed analyses and modeling through the thermal-energy-management-mass penalty are outlined 
in Section 3.2. Additional values related to the Cooling External Interface may be found in Section 4.4 Thermal 
Management. 

5.2

 

Extravehicular Activity Support External Interface

 

176

 

Extravehicular activity (EVA) for planetary exploration missions will exhibit significant differences from 

current EVA in low-Earth orbit. On a planetary surface, the presence of gravity raises the importance of suit mass, 
so planetary surface space suits must be much lighter than current systems. Such new space suits must also be 
designed for walking, picking up surface samples, hammering, etc., to accommodate field geology and similar 
activities necessary for planetary exploration. The current space suit, or EMU, does not have these attributes. It has a 
mass on the order of 135 kg and is designed for weightless mobility using foot restraints. Table 5.2.1 presents local 
accelerations due to gravity for planetary bodies and Table 5.2.2 presents historical EMU masses. Finally, 
Table 5.2.3 presents the weight 

177

 of an average 70 kg crewmember plus historical and current EMU designs under 

a variety of gravitational conditions. As noted, the current EMU, if not reduced in mass for Mars, would burden a 
crewmember with a weight 12 % greater than the weight of a nominal, unencumbered crewmember under terrestrial 
gravity. 

•

 

Note: The analysis here is not meant to suggest that a historical Apollo EMU or the current Shuttle 
Program EMU will be used for operations on the surface of Luna or Mars, but rather to compare 
the effects of suits with similar mass. The current Shuttle Program EMU is inappropriate for 
surface operations, while the historical Apollo EMU has many limitations and would be 
inappropriate for Martian surface operations. 

Table 5.2.1 

Local Accelerations Due to Gravity 

Locale 

Mean 

Acceleration 

due to 

Gravity 

[m/s²] 

Fractional 

Gravity 

compared to 

Earth 

Normal 

Reference 

Earth 9.807 

1.000 

Luna 1.620 

0.165 

Mars 3.740 

0.381 

Weast and Astle 
(1979) 

 

                                                           

176

  This section on advanced extravehicular activities is from Rouen (2001). 

177

  Weight, a force, is defined as the mass of an object [kg], which is invariant with locale, multiplied by the local acceleration 

due to gravity [m/s²]. More specifically, weight is the force with which a planet pulls a mass towards its surface and, 
therefore, the “on back weight†experienced by a crewmember carrying something on the surface in that gravity field. 

background image

 

 

125 

 

 

Table 5.2.2 

Historical Extravehicular Activity Masses 

Item 

Mass 

[kg] 

References 

Nominal Human Being 

70 

(1)

 

Apollo Program Spacesuit, A7L 

178

 

83.0 

(2)

 

Apollo Program Spacesuit, A7LB 

179

 

90.7 

(3)

 

Shuttle/ISS Program Spacesuit 

135 

(4)

 

(1)

 See 

Section 

3.3.3 

(2)

 NASA 

(1969) 

(3)

 Rouen 

(2002) 

(4)

 Rouen 

(2001)

 

Table 5.2.3 

Weights of Historical Spacesuits Under Gravitational Loadings 

Locale and Loading 

Total Mass 

[kg] 

Weight for 

Human 

Alone 

[N] 

Weight for 

Human 

Plus Space 

Suit 

[N] 

Percentage of 

Unencumbered, 

Earth-Normal 

Weight 

[%] 

Earth 

70.0 686   

100 

Luna 

70.0 113   

16.5 

Lunar Surface with Apollo A7L EMU 

153.0 

 

248 

36.1 

Lunar Surface with Apollo A7LB EMU 

160.7 

 

260 

37.9 

Lunar Surface with Shuttle EMU 

205 

 

332 

48.4 

Mars 

70.0 262   

38.2 

Martian Surface with Apollo A7L EMU 

153.0 

 

572 

83.4 

Martian Surface with Apollo A7LB EMU  160.7 

 

601 

87.5 

Martian Surface with Shuttle EMU 

205 

 

767 

112 

The entire EVA system, including airlocks, spacesuits, tools, and vehicle interfaces, must also be designed 

to minimize the mission launch mass, requiring technology development. The final design solution depends upon the 
mission architecture as well as the success of development efforts. Several possibilities are described below that 
represent the best available assumptions with regard to EVA for planetary exploration missions. 

5.2.1

 

Operations During Transit to Mars 

On a Mars transit vehicle, EVA would likely be reserved for contingency only. If EVA from the transit 

vehicle is minimal, then the transit vehicle airlock system should be as lightweight as possible with minimal 
intrusions into the crew habitat. Solutions that use an existing volume within the cabin that can be isolated and 
depressurized or a fabric, fold-up airlock stowed externally to the outer cabin wall are some possible minimum 
impact solutions to provide contingency EVA capability. In an event, current EVA protocol requires at least two 
crewmembers at any time, so the minimum airlock should accommodate at least two crewmembers at a time. 
Accordingly, the minimum airlock internal volume is about 3.7 m³. This corresponds to the volume of the current 
Shuttle airlock. 

                                                           

178

  The value here corresponds to the Apollo A7L EMU and a –6 portable life support system and associated equipment. 

Apollo 11 used this configuration on the lunar surface. The EVA surface duration per sortie was less than 8 hours in this 
configuration. 

179

  The value here corresponds to the Apollo A7LB EMU and a –7 portable life support system and associated equipment. The 

later Apollo missions used this configuration on the lunar surface. The EVA surface duration per sortie was increased to 
8 hours in this configuration. 

background image

 

 

126 

 

 

5.2.2

 

Martian Surface Operations 

Because the gravity on Mars is about twice that of Luna and about a third of that on Earth, the overall mass 

of a Mars spacesuit is extremely critical. A likely mission design to mitigate this problem is to reduce the standard 
EVA duration to 4 hours and plan to recharge the spacesuit consumables at midday. Therefore, to maintain the same 
time outside the vehicle during exploration, two 4-hour, or “half-day,†EVA sorties per workday could replace the 
more traditional 8-hour EVA sortie. Assuming five workdays per week allows 520 half-day EVA sorties of two 
crewmembers per year without any allowance for holidays. This is also the expected number of airlock cycles per 
year. Each EVA sortie normally requires at least two crewmembers outside. 

One method of reducing EVA consumables is to use a radiator to reject thermal loads from the spacesuit 

backpack rather than rely solely on consuming water to reject thermal loads, as is the current practice in low-Earth 
orbit. This could reduce cooling water usage to 0.19 kg/h from 0.57 kg/h, which is a typical value when a radiator is 
not used. The calculation here assumes a human metabolic rate of 1.06 MJ/h (295 W). Water, which remains within 
the spacesuit, also provides the thermal working fluid to transport heat from the astronaut’s skin to heat rejection 
equipment in the portable life support system (PLSS). 

Another concept, which would completely eliminate loss of water to the environment for cooling, is a 

cryogenic spacesuit backpack. The cryogenic spacesuit backpack rejects thermal loads to the environment via 
radiator and vaporizes cryogenically-stored oxygen for metabolic consumption. As above, water still provides the 
heat transport working fluid. 

Oxygen usage and losses during EVA depend on the technologies employed in the PLSS. If a completely 

closed-loop system is used, oxygen is only consumed by metabolic activity and leakage. Under such conditions, 
oxygen usage is 0.3 kg per 4-hour EVA sortie, or 0.076 kg/h. If carbon dioxide generated while on EVA is stored by 
the PLSS and recycled once the crewmembers return to the vehicle actual oxygen loss is associated only with 
leakage. Oxygen leakage alone accounts for a loss rate of 0.02 kg per 4-hour EVA sortie, or 0.005 kg/h. If the 
spacesuit PLSS employs a swing bed carbon dioxide removal technology to reject carbon dioxide and water to the 
Martian environment, then some additional oxygen is lost as a sweep gas to aid the bed’s operation. In this case, 
oxygen loss rates are 0.6 kg per 4-hour EVA sortie, or 0.15 kg/h. If cryogenic oxygen is used for thermal energy 
management as well as breathing, the overall oxygen usage rates are 4.0 kg per 4-hour EVA sortie, or 1.0 kg/h. 

Normally, flight rules require two exits  providing redundant means to enter and egress a vehicle. If 

pressurized rovers are used, one exit would be dedicated to docking rovers while an airlock would support on-foot 
EVA operations. Since exits are only useful if coupled with a corresponding airlock, the contingency airlock for a 
secondary exit (when another pressurized vehicle is not docked) is often used to depressurize the entire vehicle 
cabin. 

Although the hatch size increases in an environment with gravity, the required airlock volume remains 

constant. A two-crewmember airlock has an empty volume of 4.25 m³. During use, the free gas volume within the 
airlock is 3.7 m³ and two suited crewmembers fill the remaining volume. Though not generally acceptable under 
current rules, a single person airlock has an empty volume of 1.02 m³ and a free gas volume of roughly 0.89 m³. 
About 10% of the free gas within the airlock is lost to space and not recovered by the airlock compression pump 
during depressurization. These losses could be reduced to 5 % at the expense of additional time and power 
consumption for the airlock pump. Other advanced concepts, however, may reduce the gas losses without 
corresponding time and power penalties. 

Table 5.2.4 summarizes the estimates above for EVA operations on the surface of Mars. All values are 

provided by Rouen (2001). Losses in Table 5.2.4 denote mass that leaves the pressurized volume of the spacesuit 
and, therefore, does not return to the vehicle at the end of EVA operations. Consumption in Table 5.2.5 denotes 
usage of a commodity by the crewmember regardless of whether that commodity leaves the pressurized spacesuit 
volume or is retained within that volume and later recycled. McBarron, et al. (1993) provide overall values 
describing the metabolic loads and inputs for an EVA crewmember assuming an average metabolic rate of 
1,055 kJ/CM-h (293 W) and a respiratory quotient of 0.90. See Table 5.2.5. 

background image

 

 

127 

 

 

Table 5.2.4 

Summary of Extravehicular Activity Values for Mars Surface Operations 

 

 

 

 

 

 

Value Units 

Low 

Nominal High 

Reference 

MJ 
/CM-h 

 1.06 

 

Rouen (2001) 

Human Metabolic Rate 
During EVA 

W/CM 

 295 

  

EVA Crewmember Hours 
per Week 

CM-h 
/wk 

  80 80  

EVA Sorties 

180

 per Week 

Sorties 
/wk 

 

181

 

or 10 

182

  

183

 

or 10 

184

 

 

Cooling Water Losses 

kg 
/CM-h 

0.19 0.57  

Oxygen Losses 

kg 
/CM-h 

0.005 
to 0.076 

0.15 1.0   

Airlock 

Volume 

m³ 1.02 4.25  

 

Airlock Free-Gas Volume 

m³ 

0.89 

3.7 

 

 

Airlock Cycles per Week 

Cycles 
/wk 

183

 

or 10 

184

 

183

 

or 10 

184

 

 

Airlock Gas Losses 
per Cycle as a Percentage 
of Airlock Gas Volume 

183

 

5  10 10  

 

Table 5.2.5 

Extravehicular Activity Metabolic Loads 

Parameter Units 

Rate 

References 

Oxygen Consumption 

kg/CM-h 

0.075 

(1)

 

Potable Water Consumption 

184

 

kg/CM-h 0.24 

(1, 2)

 

Food Energy Consumption 

185

 

MJ/CM-h 1.062 

(3)

 

Carbon Dioxide Production 

kg/CM-h 

0.093 

(1)

 

Respiration and Perspiration Water Production 

kg/CM-h 

TBD 

Urine Production 

kg/CM-h 

TBD 

(1)

 

McBarron, et al. 
(1993); metabolic 
rate of 293 W/CM 
and a respiratory 
quotient of 0.9. 

(2)

  NASA (1995); a 

maximum value. 

(3)

 

Rouen (2001)

 

5.2.3

 

Lunar Surface Operations 

Future EVA scenarios on the lunar surface are likely to be similar to those described above for Mars 

because lunar surface exploration is often cited as a precursor to Martian surface exploration missions. However, 
due to lower gravity on Luna, it is easier to extend the EVA sorties to 8 hours, thus saving time and airlock cycle gas 
losses. However, radiant heat rejection would be a greater challenge during the lunar day. 

                                                           

180

  Each EVA sortie assumes two crewmembers. 

181

  Assuming 8-hour EVA sorties. 

182

  Assuming 4-hour, or â€œhalf day†EVA sorties. 

183

  As given, these values are as a percentage of the mass of gas occupying the free airlock volume when depressurization 

begins. 

184

  For EVA sorties longer than 3 hours. 

185

  This is the total energy expended, and as consumed, per crewmember per hour of extravehicular activity. 

background image

 

 

128 

 

 

5.3

 

Human Accommodations External Interface 

5.3.1

 

Clothing 

Clothes are not traditionally part of an environmental control and life support system. However, the data 

here detail some of the many interfaces between crew clothing, overall crew support mass, and the Water and Waste 
Subsystems. The approach for ISS is to resupply clothes as needed. Alternately, clothes could be cleaned and reused 
to significantly reduce the mass of clothes allotted per mission. 

The main interfaces between the life support subsystems and a traditional laundry would be the mass of 

water to support an aqueous washer and the corresponding water vapor load. The water vapor load would depend on 
the performance of the laundry system, but assuming that most of the wash water is removed mechanically, leaving 
a mass of water within the fabric equal to the mass of the clothes, the corresponding water-vapor load would be 
about 1.5kg/CM-d. 

Table 5.3.1 provides a summary of clothing and laundry options. Table 5.3.2 provides values for an 

aqueous laundry system originally under development for ISS (Lunsford and Grounds, 1993, and ALS Systems 
Workshop, 1998), while Table 5.3.3 details a recent study of a more efficient washer/dryer prototype unit (Jeng and 
Ewert, 2002). In this latter study, the authors assumed clothing would have a useful life of 40 laundry cycles. 

Table 5.3.1 

Clothing and Laundry Options 

 

Mass 

[kg] 

Mass 

[kg/CM-d] 

Volume 

[m

3

/CM-d] 

Power 

[kW] 

References 

ISS Approach (clothes shipped, single use):

 

From Chaput (2003) 

 

0.343

 (1) 

186

 

 

From Rogers (1999) 

 

0.718 

(2)

 0.0013 

(2)

 

 

From Branch (1998) 

 

1.69 

(3)

 0.00135 

(3)

 

 

From Reimers and 
McDonald (1992) 

 1.47 

(4)

 0.00140 

(4)

 

 

Using a Laundry:

   

 

 

 

 0.267 

(4)

 0.000351 

(4)

 

 0.0746 

(6a)

 0.00044 

(6a)

 

 0.0373 

(6b)

 0.00022 

(6b)

 

Clothes 

 0.0191 

(6c)

 0.00011 

(6c)

 

118 

(4)

  

 

0.31 

(4)

 

Laundry 
Equipment 

80 

(6)

  

 

0.751 

(6)

 

 

12.47 

(5)

 

187

 

 

 

Interfaces (Water) 

 7.33 

(6)

 

 

 

(1)

  Chaput (2003). Based on 

clothing allocation “as 
planned†for ISS 

(2)

 

Rodgers (1999). Based on 
clothing â€œas planned†for ISS.

(3)

 

Branch (1998)

 

(4)

 

Reimers and McDonald 
(1992)

 

(5)

 

NASA (1990)

 

(6)

 

Jeng and Ewert (2002)

 

(6a)

 

Jeng and Ewert (2002); 
90 d mission duration

 

(6b)

 

Jeng and Ewert (2002); 
180 d mission duration

 

(6c)

 

Jeng and Ewert (2002); 
600 d mission duration

 

                                                           

186

  Chaput (2003) gives ISS planning values for clothing of 10.3 kg per crewmember per 30 days. 

187

  The laundry uses clean water and provides a waste stream of greywater to the water recovery system. 

background image

 

 

129 

 

 

Table 5.3.2 

Early ISS Laundry Equipment Specifications 

Washer Unit 

Value 

Units 

Comments 

References 

Mass 118 

kg 

 

Volume 0.66 m³   
Capacity 2.7  kg/load 

 

Water Usage 

49 

kg/load 

Effluent is greywater. This unit 
does not release water vapor. 

Crewtime 0.33 

CM-h/load 

Load, remove, fold, and stow 
clothes. 

Energy 3.3 kWh/load 

 

Consumables 0.0024  kg/load  Detergent 

From Lunsford and 
Grounds (1993) with 
updates from material 
presented at the ALS 
Systems Workshop 
(1998). This informa-
tion is based on the 
laundry originally under 
development for ISS.

 

Table 5.3.3 

Advanced Washer/Dryer Specifications 

Washer Unit 

Value 

Units 

Comments 

Reference 

Mass  80 kg  
Volume 0.264 

m³   

Capacity 4.5  kg/load 

Clothes 

Water Usage 

51.3 

188

 

kg/load 

Effluent is greywater. This unit 
does not release water vapor. 

Crewtime 0.42 

CM-h/load 

Load, remove, fold, and stow 
clothes. 

Energy 

0.95 

189

 

kWh/load Low 

setting 

Consumables 0.010 

kg/load  Detergent 

(Igepon 

soap) 

From Jeng and 
Ewert (2002)

 

5.4

 

In-Situ Resource Utilization External Interface 

Significant quantities of local resources are available at Mars that might be used for life support. Sridhar, et 

al. (1998) identified some resources that might be needed. (See Table 5.4.1)  Drysdale (1998) estimated very 
roughly the masses required for each resource and the cost leverage that seemed credible from in-situ resource 
utilization (ISRU) based on data from John Finn (NASA Ames Research Center). (See Table 5.4.3) 

Regolith may be used for radiation and meteoroid protection at a long-term base and would be available for 

the cost of moving it and bagging it. 

Water would be a high leverage item, particularly if bioregeneration is used extensively. It could be 

available from the atmosphere, despite its dryness, from permafrost that is expected to be extensive at a meter or two 
below the surface, from polar ice, or from subsurface water or ice deposits. It could also be made from atmospheric 
carbon dioxide, if a source of hydrogen is available. Even if hydrogen had to be shipped from Earth, this would still 
give a 5 to 1 cost advantage. The cost of acquisition would depend on the cost of extraction and purification. 
Currently, the abundance and location of water on Mars is undetermined. The atmosphere of Mars carries water 
vapor in minimal quantities. Likewise, large deposits of water exist at both Martian poles, but accessing that water is 
complicated by the seasonal deposition of frozen carbon dioxide on top of the ice deposits. 

Atmospheric carbon dioxide could support plant growth, particularly if a plant growth unit is set up and 

started remotely. It could be readily extracted from the atmosphere, which is 95% carbon dioxide, though at a low 
pressure. 

An inert gas would be needed to dilute the cabin oxygen, assuming the base air would not be pure oxygen. 

This could be extracted from the atmosphere by removing the carbon dioxide and water vapor. 
                                                           

188

  A washer using ozone, O

3

, for the detergent will use less water. Energy usage, however, increases to support ozone 

production. 

189

  Corresponding energy usage values: The washer cycle is 40 minutes at 300 W and the dryer cycle is 60 minutes at 750 W. 

background image

 

 

130 

 

 

Finally, oxygen, for crew respiration, can be obtained from the atmosphere, either by removing the rest of 

the gases or by reaction with the atmospheric carbon dioxide using either a Sabatier/electrolysis or zirconia cell 
reaction. 

A design reference mission (Hoffman and Kaplan, 1997) proposes using local resources to make rocket 

propellant, liquid methane and liquid oxygen, for the Mars ascent vehicle from the Martian atmosphere. While 
oxygen is available as a product from splitting carbon dioxide, methane production requires a source of hydrogen. 
Water provides a readily used source of hydrogen, but as addressed above, it may not be readily available. The 
design reference mission avoids the issue of water availability by providing liquid hydrogen from Earth for ISRU 
propellant production. 

Similar propellants could be used for power storage, including propelling surface or aerial vehicles, 

especially if a local source of water is available. In addition, the same chemical processing plant could be used to 
make life support commodities, such as listed below in Table 5.4.3. Some of these, inert gases, for example, might 
be made available as by-products at minimal added cost. 

Note that shipped commodities will have a negative cost leverage to account for packaging. This can be a 

significant mass factor, as shown in Table 4.1.4 for permanent gases. This is in addition to any cost factor for the 
shipping location as identified in Table 3.2.1. 

Table 5.4.1 

Nitrogen Gas Losses Associated with International Space Station Technology 

Parameter 

Mass 

[kg/y] 

Comments Reference 

Nitrogen Resupplied  796 

 

ISS Module Leakage  18 - 44 

 

Airlock Losses 

10% 

mass of nitrogen lost per cycle is 1 kg 

Information from Sridhar, 
et al. (1998)

 

Table 5.4.2 

Nitrogen Gas Losses for the Mars Design Reference Mission (One Cycle) 

Using ISS Technologies 

Mission 

Phase 

Event 

Mass

[kg] 

per 

Event 

Total 
Mass 

Lost 

[kg] 

Calculation 

Basis 

Reference 

Transit Module 

Leakage 0.1 day 

26 

260 days transit; 
both ways 

Surface Airlock 

Usage 1 cycle 1,200 

2 cycles/day for 
619 days 

Surface Module 

Leakage  0.1  day 

62  619 

days 

Total  

   

1,288 

Gas Mass 
Excluding Tanks

Information from Sridhar, 
et al. (1998) 

background image

 

 

131 

 

 

Table 5.4.3 

Estimation of Cost Leverages from In-Situ Resource Utilization

 

190

 

Commodity 

Requirement 

[kg]

 

Cost 

Leverage

Comments / Assumptions 

Likelihood

 

191

 

Regolith 

620,000 

3,100 

Assumes a Rover is Available 

Always 

Water 

12,000 

310 

From Local Permafrost 

Unknown to Unlikely

Water 12,000 

390 

From 

Local 

Atmosphere 

Unlikely 

Water 

12,000 

Produced Using Hydrogen from Earth Always 

Carbon Dioxide 

528 

47 

For 30 days of Plant Growth; Using Local 
Atmosphere

 

Always 

Inert Gas 
(Argon/Nitrogen) 

508 1.6 

From 

Local 

Atmosphere 

Always 

Oxygen 

121 

19 

From Electrolysis of Local Water 

Unknown to Unlikely

Hydrogen 

system 
dependent 

1.2  From Electrolysis of Local Water 

Depends on water 
availability 

Allen and Zubrin (1999) suggest ISRU is also available on Luna, though the variety and source of 

commodities is more limited. Specifically, oxygen is available as an oxide within the lunar regolith. Further, though 
very limited in extent, water, as ice, is present in deep craters at both lunar poles. 

5.5

 

Integrated Control External Interface 

5.5.1

 

Sensors 

Sensors are critical to life support system operation. However, based on current estimates from the ALS 

Systems Analysis Workshop of March 1998, the mass will not be significant compared to the overall life support 
system mass. 

Table 5.5.1 

Sensor Mass Estimates 

Assumptions [kg] 

Parameter 

Lower Nominal Upper 

References 

Low Tech 

221 

(1)

 TBD  680 

(1)

 

High Tech 

71 

(1)

 TBD 165 

(1)

 

Highest Tech 

39 

(1)

 TBD 106 

(1)

 

(1)

 Jan (1998) 

 

                                                           

190

  From Drysdale (1998) using data from J. Finn (NASA/Ames Research Center). These estimates are very preliminary. 

191

  Likelihood assesses how likely a particular commodity might be available based on current knowledge of Mars for a 

typical site. Assessment scale: â€œAlways†implies availability at all sites. “Likely†implies availability at most sites in 
unlimited quantities. â€œUnlikely†implies availability at some sites in unlimited quantities or available at most sites in 
limited quantities. â€œUnknown†implies unknown availability. 

background image

 

 

132 

 

 

5.6 

Power External Interface 

Within this manuscript, power enters analyses and modeling through use of a power-mass penalty. 

Information on power systems is provided under the description of infrastructure in Section 3.2. 

 

5.7  

Radiation Protection External Interface 

Radiation Protection, according to Table 2.4.2, may impact numerous systems. While exotic life support 

designs are possible, it is likely that Radiation Protection, which is effectively mass between the crew and the 
external radiant environment, will remain a dedicated mass of material with a high hydrogen content such as 
polyethylene or, less ideally, water. Further, vehicle structure, including the primary structure, avionics, and 
propulsion system can provide varying degrees of protection just due to the nature of their mass (Duffield, 2001). 
However, the most likely interaction for the Radiation Protection External Interface is with the Water Subsystem 
and then only as a contingency source. 

For operations in near Earth space, hydrogen mass equivalent, as detailed in Table 3.2.6, in and  around any 

safe haven is considered adequate for a vehicle radiation shelter to protect against solar particle events. While the 
initial activity from solar particle events enters from the direction of the Sun, the radiation field soon becomes 
effectively isotropic. Any effective radiation protection must provide a complete enclosure for the crew. This 
radiation shelter may include the entire crew cabin. On short-duration missions, such as a lunar transit, such 
protection may only encompass a portion of the crew cabin, such as the sleeping quarters, due to the added mass 
associated with complete radiation shielding. 

For longer duration missions, either for extended operations on Luna or to transit to Mars, the crew cabin 

must also provide protection versus galactic cosmic radiation. Again this radiation source is, by nature, isotropic. As 
implied above in the Section 3.2.1 on infrastructure, galactic cosmic radiation is much more difficult to stop. For 
extended duration transit missions, all mass to protect against galactic cosmic radiation must be transported with the 
spacecraft. On a planetary surface, local resources, such as regolith packed into “sandbags†or underground caverns 
may be used to protect against radiation. Additionally, the carbon dioxide atmosphere of Mars, as well as the mass 
of the planet itself, provides some protection. 

Here, Radiation Protection External Interface costs are integrated with the primary structure penalty for 

volume as noted above in Section 3.2.1. 

background image

 

 

133 

 

 

6

 

References 

Allen, C. C., and Zubrin, R. (1999) “In-situ Resources,†Chapter 15, 

Human Spaceflight: Mission Analysis and 

Design

, Larson, W. J., and Pranke, L., Editors, McGraw-Hill Space Technology Series, New York, New York. 

ALS Systems Workshop (1998) National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, 
Houston, Texas. Presentation to the Advanced Life Support Systems Workshop, March 1998. 

Atwell, W., and Badhwar, G. (2000) â€œTransHab Shield Model and Crew Radiation Exposures,†33

rd

 Scientific 

Assembly of the Committee on Space Research (COSPAR), Warsaw, Poland, 16-23 July 2000. 

AZ Technology (1993) â€œLaboratory Portable Spectroreflectometer LPSR-200 Briefing,†AZ Technology, 
Huntsville, Alabama. See also: http://www.aztechnology.com/. Presentation to National Aeronautics and Space 
Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, 18 November 1993. 

Ball, V. E., Butault, J.-P., and Nehring, R. (2001) “U. S. Agriculture, 1960-96: A Multilateral Comparison of Total 
Factor Productivity,†Technical Bulletin Number 1895, United States Department of Agriculture, Economic 
Research Service, Resource Economics Division, Washington, D. C. 

Barta, D. J., Castillo, J. M., and Fortson, R. E. (1999) â€œThe Biomass Production System for the Bioregenerative 
Planetary Life Support Systems Test Complex: Preliminary Designs and Considerations,†SAE paper 1999-01-2188, 
29

th

 International Conference on Environmental Systems, Society of Automotive Engineers, Warrendale, 

Pennsylvania. 

Barta, D. J., and Ewert, M. K. (2002) National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space 
Center, Houston, Texas. Personal communication based on data from the Variable Pressure Growth Chamber at 
Lyndon B. Johnson Space Center, 30 April 2002. 

Behrend, A. F., Jr., and Henninger, D. L. (1998) â€œBaseline Crops for Advanced Life Support Program,†JSC Memo 
EC3-98-066, National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas. 

http://advlifesupport.jsc.nasa.gov/baselinecrops.html 

Boeing (1994) â€œSystem Specification for the ISS Alpha,†SSP-41000, Contract Number NAS15-10000, CDRL 
Sequence Number MG02, Boeing Defense and Space Group, Space Station Program Office, Houston, Texas, 
9 February 1994. 

Boeing (2002) “Orbiter Vehicle End Item Specification for the Space Shuttle System, Part 1, Performance and 
Design Requirements,†MJ070-0001-1E, The Boeing Company, Houston, Texas, 07 November 2002. 

Bourland, C. T. (1998) National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, 
Texas. Personal communication, 9 December 1998. 

Bourland, C. T. (1999) National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, 
Texas. Personal communication, 25 May 1999. 

Branch, G. (1998) “International Space Station Clothing Subsystem,†National Aeronautics and Space 
Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas. Presentation to the Advanced Life Support 
Systems Analysis Workshop, 27 March 1998. 

Bugbee, B. (1998) Plants, Soils, and Biometeorology Department, Utah State University, Logan, Utah. Personal 
communication. 

Carrasquillo, R. L., Reuter, J. L., and Philistine, C. L. (1997) “Summary of Resources for the International Space 
Station Environmental Control and Life Support System,†SAE Paper 972332, 27

th

 International Conference on 

Environmental Systems, Lake Tahoe, Nevada, Society of Automotive Engineers, Warrendale, Pennsylvania. 

Carter, D. L. (1998) â€œWaste Water Characterization for the ISS Water Processor,†SAE Paper 981616, 
28

th

 International Conference on Environmental Systems, Society of Automotive Engineers, Warrendale, 

Pennsylvania. 

Castillo, J. (2000) Lockheed Martin Space Operations, Houston, Texas. Personnel communication, 29 March 2000. 

background image

 

 

134 

 

 

Cataldo, R. L. (1998) â€œComparison of Solar Photovoltaic and Nuclear Power Systems for Human Missions to 
Mars,†Mars Exploration Forum, Lunar and Planetary Institute, Houston, Texas, 4-5 May 1998. 

Cavazzoni, J. (2001) “Crop Specific Parameters for Use in Modified Energy Cascade Models,†Bioresource 
Engineering, Department of Plant Science, Rutgers University, New Brunswick, New Jersey, January 2001. 

Chaput, K. (2003) â€œOn-orbit Consumables Matrix,†National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. 
Johnson Space Center, International Space Station Program, Houston, Texas, 05 February 2003. 

http://iss-www.jsc.nasa.gov/ss/issapt/consumables/ConsumablesTeam.html 

Charmin (2002) “Bath Tissue Trivia,†http://www.charmin.com/en_us/pages/facts_trivia.shtml, Charmin®, The 
Proctor and Gamble Company, Cincinnati, Ohio. 

Clark, K. (2003) National Aeronautics and Space Administration, Ames Research Center, Moffett Field, California. 
Personal communication based on Huggies® Wipe gravimetric analysis, 29 May 2003. 

Conger, B. C., and Clark, C. S. (1997) “Thermal Analysis Basics and Design Guidelines,†Lockheed Martin Space 
Operations, Houston, Texas. Internal teaching lecture notes from 12 January 1997. 

Database (2002) Lockheed Martin Space Operations for National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. 
Johnson Space Center, Houston, Texas. Internal interim Advanced Life Support Database for Fiscal Year 2002. 

de Vera, T. L., Jr. (1998a) “Environmental Control and Life Support System (ECLS) Section of the Space Station 
Operations Data Book (SSODB) United States Laboratory Module,†Draft Engineering Release, Revision B, The 
Boeing Company, Houston, Texas, June 1998. 

de Vera, T. L., Jr. (1998b) “Environmental Control and Life Support System (ECLS) Section of the Space Station 
Operations Data Book (SSODB) Joint Airlock,†Draft Engineering Release, The Boeing Company, Houston, Texas, 
August 1998. 

de Vera, T. L., Jr. (1999) â€œEnvironmental Control and Life Support System (ECLS) Section of the Space Station 
Operations Data Book (SSODB) Node 1,†Flight Release, Revision D, The Boeing Company, Houston, Texas, 
March 1999. 

Diem, K; and Lentner, C., Editors (1970) 

Documenta Geigy: Scientific Tables

, 7

th

 Edition, Ciba-Geigy Limited, 

Basle, Switzerland, page 657. 

Doinier, Equipment specification from Doinier System for Modular Spacelab. 

Drake, B. G. (1998) â€œReference Mission Version 3.0, Addendum to the Human Exploration of Mars: The Reference 
Mission of the NASA Mars Exploration Study Team,†EX13-98-036, National Aeronautics and Space 
Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas. 

http://exploration.jsc.nasa.gov/explore/addendum/index.htm 

Drake, B. G. (1999) â€œReference Point Architecture and Technology Study: Human Exploration of Mars â€“ â€˜1000’ 
Day Class Mission.† Internal NASA presentation dated 22 October 1999. 

Drysdale, A. E. (1998) â€œKSC Systems Analysis,†The Boeing Company, John F. Kennedy Space Center, Florida. 
Presentation to the Advanced Life Support Systems Analysis Workshop, 26 March 1998. 

Drysdale, A. E. (1999a) The Boeing Company, Kennedy Space Center, Florida. Personal communication, 1999. 

Drysdale, A. E. (1999b) â€œBiomass Production System â€“ Optimized from State-of-Art,†The Boeing Company, John 
F. Kennedy Space Center, Florida. Draft presentation for Systems Modeling and Analysis Project management, 
7 June 1999. 

Drysdale, A. E. (2001) The Boeing Company, Kennedy Space Center, Florida. Personal communication, 
7 May 2001. This information is a compilation of multiple sources as provided by Drysdale. 

Drysdale, A. E., Beavers, D., and Posada, V. (1997) â€œKSC Life Sciences Project Annual Report for January to 
December, 1997,†The Boeing Company, John F. Kennedy Space Center, Florida, June 1998. 

background image

 

 

135 

 

 

Drysdale, A. E., and Hanford, A. J. (2002) â€œAdvanced Life Support Research and Technology Development Metric 
– Fiscal Year 2001,†JSC-47787 (CTSD-ADV-482), National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. 
Johnson Space Center, Houston, Texas. 

Duffield, B. E. (2001) “Review of the Radiation Environment and Shielding Options for Deep Space Missions,†
MSAD-01-0567, Lockheed Martin Space Operations, Houston, Texas. 

Duffield, B. E. (2003) â€œAdvanced Life Support Requirements Document,†JSC-38571, Revision C, National 
Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas. 

Eckart, P. (1996) 

Spaceflight Life Support and Biospherics

, Space Technology Library, Microcosm Press, Torrance, 

California. 

Ecolab (1988) Ecolab, Inc., Saint Paul, Minnesota. Production specification for NASA Whole Body Shower Soap. 

EDCC (1998) â€œMaximum Absorption Garment III, Extravehicular Mobility Unit Equipment,†Drawing Number 
SED 13101720, Revision B, National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, 
Engineering Drawing Control Center, Houston, Texas, 22 January 1998. 

EDIS (2001) Extension Digital Information Source, Institute of Food and Agricultural Sciences, University of 
Florida, Gainesville, Florida. 

http://edis.ifas.ufl.edu/ 

Ewert, M. K. (1998) National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, 
Texas. Personal communication based on data from internal Biomass Production Chamber Lighting System Trade 
Study, October 1998. 

Ewert, M. K. (2001) National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, 
Texas. Personal communication, 16 August 2001. 

Ewert, M. K. (2002a) National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, 
Texas. Personal communication, 17 April 2002. 

Ewert, M. K. (2002b) “A Simplified Method of Characterizing Refrigerator/Freezer Performance,†National 
Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Crew and Thermal Systems Division, 
Houston, Texas. Internal Crew and Thermal Systems Division white paper dated 08 April 2002. 

Ewert, M. K., Curry, D. M., Lin, C. H., and Brown, R. G. (1999) â€œThermal Control,†Chapter 16, 

Human 

Spaceflight: Mission Analysis and Design

, Larson, W. J., and Pranke, L., Editors, McGraw-Hill Space Technology 

Series, New York, New York. 

Ewert, M. K., and Drake, B. G. (2000) National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space 
Center, Houston, Texas. Personal communication, 29 June 2000, describing proposed crew water usage allocations 
during short-term phases of exploration missions for use in studies by the Exploration Office. 

Ewert, M. K., Keller, J. R., and Hughes, B. (1996) â€œConceptual Design of a Solar Powered Heat Pump for Lunar 
Base Thermal Control System,†SAE Paper 961535, Society of Automotive Engineers, Warrendale, Pennsylvania. 

Fletcher, D. R. (2001) National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, 
Texas. Personal communication, 22 August 2001, describing mission segment durations for a proposed lunar 
architecture within the Exploration Office. 

Flynn, M. (2003) National Aeronautics and Space Administration, Ames Research Center, Moffett Field, California. 
Personal communication, 21 May 2003, confirming that urine pretreatment is not required for vapor phase catalytic 
ammonia removal. 

Gall, L. (1999) “International Space Station Program Crew Loading Report,†SSP 50391, Baseline, National 
Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas, July, 1999. 

Garcia, R. (1989) â€œSpace Transportation System 29 (STS-29) Trash Evaluation Final Report,†JSC-SP-89-1, 
National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas. 

Geffre, J. R. (2002) National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, 
Texas. Personal communication, 07 March 2002. 

background image

 

 

136 

 

 

Geffre, J. R. (2003) National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, 
Texas. Personal communication, 15 July 2003. 

Geffre, J. R. (2004) National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, 
Texas. Personal communication, 11 February 2004. 

Green, J., Lemmons, N., and Halligan, J. (2000) “ISS Integrated Traffic Model,†ISS Program Document 
TDS D8.1.1-04, International Space Station Program, The Boeing Company, Houston, Texas. Dated 02 June 2000. 

Grounds, P. (1990), “Space Transportation System 35 (STS-35) Trash Evaluation Final Report,†JSC-SP-90-2, 
National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas. 

Hall, P., Vodovotz, Y., and Peterson, L. (2000) National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson 
Space Center, Houston, Texas. Personal communication, 22 February 2000. 

Hall, P., and Vodovotz, Y. (1999) National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space 
Center, Houston, Texas. Personal communication, 10 May 1999. 

Hallberg, L. and Nilsson, L. (1964) â€œConstancy of individual menstrual blood loss,†

Acta Obst. Gynec. Scandinav.

43

, pp. 352-360. 

Ham. Stand. (1970) â€œTrade-off Study and Conceptual Designs of Regenerative Advanced Integrated Life Support 
Systems (AILSS), February 1968 â€“ January 1970,†NASA-CR-1458, Hamilton Standard, Windsor Locks, 
Connecticut. 

Hanford, A. J. (1997) â€œAdvanced Regenerative Life Support System Study,†JSC-38672 (CTSD-ADV-287), 
National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas. See also: 
Hanford, A. J. (1997) â€œAdvanced Regenerative Life Support System Study Update,†LMSMSS-32447, Lockheed 
Martin Space Mission Systems and Services, Houston, Texas. 

Hanford, A. J. (1998) “Power-Mass Penalties and Radiator Sink Temperatures on Luna and Mars for Advanced Life 
Support System Parametric Studies,†LMSMSS-32749, Lockheed Martin Space Mission Systems and Services, 
Houston, Texas. 

Hanford, A. J. (2000) â€œA List of Life Support Subsystems for the Advanced Life Support Project,†MSAD-00-0138, 
Lockheed Martin Space Operations, Houston, Texas. 

Hanford, A. J., and Ewert, M. K. (1996) â€œAdvanced Active Thermal Control Systems Architecture Study Report,†
NASA-TM-104822, National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, 
Texas. 

Hawk, P. B. (1965) 

Hawk's Physiological Chemistry

, Oser, B. L., Editor, McGraw-Hill, New York, New York, 

1472 pp. 

Hoffman, S. J., and Kaplan, D. L. (1997) â€œHuman Exploration of Mars: The Reference Mission of the NASA Mars 
Exploration Study Team,†NASA-SP-6107, National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson 
Space Center, Houston, Texas. 

http://exploration.jsc.nasa.gov/marsref/contents.html 

Hopper, D. A., Stutte, G. W., McCormack, A., Barta, D. J., Heins, R. D., Erwin, J. E., and Tibbitts, T. W. (1997) 
“Crop growth requirements (Appendix),†in Langhans, R. W., and Tibbitts, T. W., Editors, 

Plant Growth Chamber 

Handbook

, Iowa Agriculture and Home Economics Experiment Station Special Report No. 99, Iowa Sate 

University, Ames, Iowa. 

Howell, J. R., and Buckius, R. O. (1987) 

Fundamentals of Engineering Thermodynamics, SI Version

, McGraw-Hill 

Book Company, New York, New York. 

Hughes, B. (1995) â€œLunar Base Power System for Solar Heat Pumps,†LMES-31919, Lockheed Martin Engineering 
and Sciences, Houston, Texas. 

Humphries, W. R., and Griggs, E. I. (1977) â€œA Design Handbook for Phase Change Thermal Control and Energy 
Storage Devices,†NASA Technical Paper 1074, National Aeronautics and Space Administration, George C. 
Marshall Space Flight Center, Huntsville, Alabama, November, 1977. 

background image

 

 

137 

 

 

Hunter, J. (1999) Department of Agricultural and Biological Engineering, Cornell University, Ithaca, New York. 
Personal communication, 24 May 1999. 

Hunter, J. and Drysdale, A. E. (1996) â€œConcepts for Food Processing for Lunar and Planetary Stations,†SAE paper 
961415, 26

th

 International Conference on Environmental Systems, Society of Automotive Engineers, Warrendale, 

Pennsylvania. 

Hunter, J. and Drysdale, A. E. (2002) Department of Agricultural and Biological Engineering, Cornell University, 
Ithaca, New York, and The Boeing Company, Kennedy Space Center, Florida. Personal communication, 
03 October 2002. 

Incropera, F. P., and DeWitt, D. P. (1985) 

Fundamentals of Heat and Mass Transfer

, 2

nd

 Edition, John Wiley and 

Sons, Inc., New York, New York. 

Jan, D. (1998) â€œMonitoring and Control Mass Estimate Issues,†National Aeronautics and Space Administration, 
Headquarters, Washington, D. C. Presentation to the Advanced Life Support Systems Analysis Workshop, 
27 March 1998. 

Jeng, F., and Ewert, M. K. (2002) “Trade Study on Laundry System for Advanced and ISS Missions,†Revision 4, 
National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas. Presentation 
package for the National Aeronautics and Space Administration, 18 January 2002. 

http://advlife.support.jsc.nasa.gov 

Jones, B. (2000) â€œTrash,†http://iss-www.jsc.nasa.gov/ss/issapt/mio/trash/trash_cat.html, National Aeronautics and 
Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas, 05 October 2000. 

Jones, H., and Cavazzoni, J. (2000) â€œCrop Models for Advanced Life Support Analysis,†SAE Paper 2000-01-2261, 
30

th

 International Conference on Environmental Systems, Toulouse, France, Society of Automotive Engineers, 

Warrendale, Pennsylvania. 

K&K (1998) â€œLuna's (Earth's Moon) Thermal Environment,†K & K Associates, Westminster, Colorado. Note: 
Material extracted from â€œThermal Environments,†JPL D-8160.

 

http://www.csn.net/~takinfo/planets/luna.htm 

Kilbourn, M. (1998) “ISS-TransHab Mass,†National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson 
Space Center, Advanced Development Office, Houston, Texas. Internal NASA spreadsheet summarizing TransHab 
masses dated 09 October 1998. 

Kloeris, V., Vodovotz, Y., Bye, L., Stiller, C. Q., and Lane, E. (1998) “Design and Implementation of a Vegetarian 
Food System for a Closed Chamber Test,†

Life Support & Biosphere Science, International Journal of Earth/Space

5

, pp. 231-242. 

Lafuse, S. (2001) National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, 
Texas. Personal communication detailing nitrogen tankage properties from several vendors, August 2001. 

Lane, H. W., Bourland, C. T., Pierson, D., Grigorov, E., Agureev, A., and Dobrovolsky, V. (1996) â€œNutritional 
Requirements for International Space Station Missions up to 360 days,†JSC-28038, National Aeronautics and Space 
Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas. 

Lange, K. E. (1998) Lockheed Martin Space Mission Systems and Services, Houston, Texas. From a spreadsheet 
prepared by K. E. Lange compiling material presented at the Advanced Life Support Systems Analysis Workshop in 
Houston, Texas, March 1998. See also: Hanford, A. J. (1998) â€œAdvanced Life Support System (ALSS) Study Water 
Recovery System,†Lockheed Martin Space Mission Systems and Services, Houston, Texas. Presentation to the 
Advanced Life Support Systems Analysis Workshop, 27 March 1998. 

Lange, K. E. (1999) Lockheed Martin Space Operations, Houston, Texas. Personal communication, 
5 September 1999. 

background image

 

 

138 

 

 

Lange, K. E., and Lin, C. H. (1998) â€œAdvanced Life Support Program: Requirements Definition and Design 
Consideration,†JSC-38571 (CTSD-ADV-245, Rev. A) National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. 
Johnson Space Center, Houston, Texas. 

Leach, C. S. (1983) “Medical Results from STS 1-4: Analysis of Body Fluids,†

Aviation, Space, and Environmental 

Medicine

54

, S50-S54. 

Levri, J. A. (2002) Summary Food Data Spreadsheet, National Aeronautics and Space Administration, Ames 
Research Center, Moffett Field, California. Draft as of 25 February 2002. 

Levri, J. A., Drysdale, A. E., Ewert, M. K., Fisher, J. W., Hanford, A. J., Hogan, J. A., Jones, H. W., Joshi, J. A., and 
Vaccari, D. A. (2003) â€œAdvanced Life Support Equivalent System Mass Guidelines Documentâ€, NASA TM-2003-
212278, National Aeronautics and Space Administration, Ames Research Center, Moffett Field, California. 

http://advlifesupport.jsc.nasa.gov/docs.html 

Levri, J., Ewert, M., Kloeris, V., Perchonok, M., Peterson, L., Swango, B., Toerne, M., and Vittadini, E. (2001) 
“Food System Trade Study for an Early Mars Mission,†SAE Paper 2001-01-2364, 31

st

 International Conference on 

Environmental Systems, Orlando, Florida, Society of Automotive Engineers, Warrendale, Pennsylvania. The data 
from this paper are summarized in a spreadsheet at: 

http://joni.arc.nasa.gov/Private/food/index.shtml 

Levri, J. A., Vaccari, D. A., and Drysdale, A. E. (2000) “Theory and Application of the Equivalent System Mass 
Metric,†SAE Paper 2000-01-2395, 30

th

 International Conference on Environmental Systems, Toulouse, France, 

Society of Automotive Engineers, Warrendale, Pennsylvania. 

Lin, C. H. (1997) “Mars Transit Habitat ECLSS,†National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. 
Johnson Space Center, Houston, Texas. Internal NASA presentation package from Crew and Thermal Systems 
Division dated April 1997. See also: Lin, C. H. (1997) â€œMars Transit Habitat ECLSS, Initial Baseline and Trade 
Studies,†National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas. 
Internal NASA presentation package from Crew and Thermal Systems Division dated 9 December 1997. 

Lin, C. H. (1998) “Node 3 Peer Review,†National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson 
Space Center, Houston, Texas. Internal NASA presentation package from Crew and Thermal Systems Division 
dated January 1998. 

LSDB (1962) 

NASA Life Sciences Data Book

, 1

st

 Edition, Webb Associates, Yellow Springs, Ohio. 

Lunsford, T., and Grounds, P. (1993) â€œSingle Phase Laundry System Development,†SAE paper 932092, Society of 
Automotive Engineers, Warrendale, Pennsylvania. 

MADS (2001) â€œModeling and Analysis Data Set (MADS),†National Aeronautics and Space Administration, 
Lyndon B. Johnson Space Center, Manifest Working Group, Houston, Texas October 2001. 

Mason, L. S., Rodriguez, C. D., McKissock, B. I., Hanlon, J. C., and Mansfield, B. C. (1992) “SP-100 Reactor with 
Brayton Conversion for Lunar Surface Applications,†NASA TM 105637, National Aeronautics and Space 
Administration, Lewis Research Center, Cleveland, Ohio. 

Maxwell, S. (2000a) “Waste Stream Analysis for STS-99â€, The Boeing Company, Boeing Space Coast Operations, 
Kennedy Space Center, Florida. Internal Boeing Document. 

Maxwell, S. (2000b) “Waste Stream Analysis for STS-101â€, The Boeing Company, Boeing Space Coast Operations, 
Kennedy Space Center, Florida. Internal Boeing Document. 

Maxwell, S. (2001a) The Boeing Company, Boeing Space Coast Operations, Kennedy Space Center, Florida. 
Personal communication of unpublished results calculated from International Space Station Phase II data using the 
Johnson Space Center Crew Provisions. 

Maxwell, S. (2001b) The Boeing Company, Boeing Space Coast Operations, Kennedy Space Center, Florida. 
Personal communication of unpublished results determined by analyzing the International Space Station Multi-
Purpose Logistics Module and Progress Vehicle Manifests for Increments 0 through 5. 

background image

 

 

139 

 

 

McBarron, J. W., Whitsett, C. E., Severin, G. I., and Abramov, I. P. (1993) â€œIndividual Systems for Crewmember 
Life Support and Extravehicular Activity,†

Space Biology and Medicine, Volume II, Life Support and Habitability

Sulzman, F. M., and Genin, A. M., Editors, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Washington, D. C. 

McGlothlin, E. P. (2000) â€œISS Hygiene Options for the Hygiene Compartment Design Effort,†LMSEAT 33276, 
Lockheed Martin Space Operations, Houston, Texas, March 2000. 

Mistrot, J. W. (1995) “Shuttle Operational Data Book, Volume II, Mission Mass Properties,†NSTS-08934, 
Volume II, Revision C, National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, 
Texas, January 1995. 

Monje, O. (1998) “Predicting Transpiration Rates of Hydroponically-Grown Plant Communities in Controlled 
Environments,†Ph.D. Dissertation, Utah State University, Logan, Utah. 

Monje, O., and Bugbee, B. (1998) â€œAdaptation to High CO

2

 Concentration in an Optimal Environment: Radiation 

Capture, Canopy Quantum Yield and Carbon Use Efficiency,†

Plant, Cell and Environment

21

, pp. 315-324. 

Muller, H. G. and Tobin, G. (1980) 

Nutrition and Food Processing

, AVI Publishing Company, Westport, 

Connecticut. 

NASA (1969) â€œApollo 11 Lunar Landing Mission Press Kit,†Release Number 69-83K, National Aeronautics and 
Space Administration, Washington, D. C., 06 July 1969. 

http://www-lib.ksc.nasa.gov/lib/presskits.html 

NASA (1989) â€œLunar/Mars Exploration Initiative; Conceptual Design of Power Systems,†JSC-24101, National 
Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas. 

NASA (1990) â€œEnvironmental Control and Life Support System Architectural Control Document,†SSP-30262, 
Preliminary Design Review Draft, National Aeronautics and Space Administration, George C. Marshall Space 
Flight Center, Huntsville, Alabama, April 1990. 

NASA (1991) â€œEnvironmental Control and Life Support System Architectural Control Document,†SSP-30262, 
Revision D, National Aeronautics and Space Administration, Space Station Freedom Program Office, Reston, 
Virginia, July 1991. 

NASA (1995) â€œMan-Systems Integration Standards,†NASA-STD-3000, Volume I, Revision B, National 
Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas, July 1995. 

http://msis.jsc.nasa.gov/ 

NASA (1996) â€œFood for Space Flight,†NASA Facts, NP-1996-07-007JSC, National Aeronautics and Space 
Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas, July 1996. 

NASA (1998) “International Space Station Familiarization,†TD9702A, National Aeronautics and Space 
Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Mission Operations Directorate, Space Flight Training Division, 
Houston, Texas, 31 July 1998. 

http://spaceflight.nasa.gov 

NASA (1999) “TransHab: An Inflatable Habitation Module for ISS and other Space Applications,†National 
Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Advanced Development Office, Houston, 
Texas. Internal presentation dated April 1999. 

NASA (2001a) â€œJSC Advanced Design Team; Lunar Transfer Vehicle Management Review,†National Aeronautics 
and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Advanced Development Office, Houston, Texas. 
Internal presentation to management dated 08 August 2001. 

NASA (2001b) â€œManifest for ISS Assembly Flight 5A,†NASA CR 5060, National Aeronautics and Space 
Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Advanced Development Office, Houston, Texas, 
28 February 2001. 

NASA (2001c) â€œManifest for ISS Assembly Flight 7A,†NASA CR 5872, National Aeronautics and Space 
Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Advanced Development Office, Houston, Texas, 
22 August 2001. 

background image

 

 

140 

 

 

NASA (2004) â€œJoint ECLSS Functional Strategy (JEFS) Document,†SSP-50623, National Aeronautics and Space 
Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas, January 2004. 

National Research Council (1989) â€œRecommended Dietary Allowances,†10

th

 Edition, National Academy Press, 

Washington, D. C. 

Niehuss, K. O. (2001) â€œEnvironmental Control and Life Support System (ECLSS) Mass Properties Report #17,†
National Aeronautics and Space Administration, George C. Marshall Space Flight Center, Huntsville, Alabama, 
October 2001. 

Orcun, S., and Wheeler, R. M. (2003) NASA Specialized Center of Research and Training in Advanced Life 
Support, Systems Group, Purdue University, West Lafayette, Indiana, and National Aeronautics and Space 
Administration, John F. Kennedy Space Center, Florida. Personal communications, 24 June 2003 and 
04 December 2003. 

Parker, D. and Gallagher, S. K. (1992) â€œDistribution of human waste samples in relation to sizing waste processing 
in space,†The Second Conference on Lunar Bases and Space Activities of the 21st Century, NASA Conference 
Publication 3166, Volume 2, Mendell, W. W. Editor, National Aeronautics and Space Administration, Washington, 
D. C., pp. 563-568. 

Parker, J. S., Jr., West, V. R., Editors (1973) Bioastronautics Data Book, 2

nd

 Edition, NASA SP 3006, National 

Aeronautics and Space Administration, Washington, D. C. 

Perchonok, M. H. (2001) National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, 
Houston, Texas. Personal communication, 07 September 2001. 

Perchonok, M. H., Stevens, I., Swango, B. E., and Toerne, M. E. (2002) â€œAdvanced Life Support Food Subsystem 
Salad Crops Requirements,†SAE Paper 2002-01-2477, 32

nd

 International Conference on Environmental Systems, 

San Antonio, Texas, Society of Automotive Engineers, Warrendale, Pennsylvania. 

Perry, J. L. (1995) “Trace Chemical Containment Generation Rates for Spacecraft Contamination Control System 
Design,†NASA-TM-108497, National Aeronautics and Space Administration, George C. Marshall Space Flight 
Center, Huntsville, Alabama, August 1995. 

Perry, J. L. (1998) “Elements of Spacecraft Cabin Air Quality Control Design,†NASA-TP-1998-207978, National 
Aeronautics and Space Administration, George C. Marshall Space Flight Center, Huntsville, Alabama, May 1998. 
This document is not available for general release. 

Putnam, D. F. (1971) “Composition and Concentrative Properties of Human Urine,†NASA-CR-1802, National 
Aeronautics and Space Administration, Washington, D. C. Prepared by McDonnell Douglas Astronautics Company 
– Western Division, Huntington Beach, California. 

Ramsey, S. D. (2002) National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, 
Texas. Personal communication, 17 April 2002. 

Reimers and McDonald (1992) â€œISS Laundry Decision Package,†National Aeronautics and Space Administration. 
Internal NASA presentation, 23 January 1992. 

Rodriguez, V., and England, W. (1998) “Rack to Mini Pressurized Logistics Module Interface Control Document 
(ICD), Part 1,†SSP-41017, Revision D, National Aeronautics and Space Administration, International Space Station 
Program, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas. This document is dated 13 November 1998. 
Revision D was signed on 01 May 2000 and published on 10 April 2001. 

Rodriguez, L. F., and Bell, S. (2004) “Verification of the Modified Energy Cascade Model â€“ Report,†National 
Research Council at NASA Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas. Internal NASA document, 
02 March 2004. See also: Cavazzoni, J. (2004) Rutgers, The State University of New Jersey, New Brunswick, New 
Jersey. Personal communication, 05 March 2004. 

Rogers, J. A. (1999) â€œJoint Crew Provisioning Catalog,†SSP 50477, National Aeronautics and Space 
Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, International Space Station Program, Houston, Texas. This 
Baseline is dated September 1999. 

Rouen, M. N. (2001) National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, 
Texas. Personal communication, 27 February 2001. 

background image

 

 

141 

 

 

Rouen, M. N. (2002) National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, 
Texas. Personal communication, 25 March 2002 based on a review of NASA Apollo documents. 

Ruminsky, K. A., and Hentges, D. L. (2000) â€œDevelopment of a Ten-Day Cycle Menu for Advanced Life Support,†

Life Support and Biosphere Science, International Journal of Earth/Space

7

, pp. 193-201. 

Sager, J. (1999) National Aeronautics and Space Administration, John F. Kennedy Space Center, Florida. Personal 
communication. 

Schoppa, W. (1997) â€œITCS Fluids White Paper,†HDID-A44B-827, Lockheed Martin Space Mission Systems and 
Services, Houston, Texas. 

Schubert, F. H., Wynveen, R. A., and Quattrone, P. D. (1984) â€œAdvanced Regenerative Environmental Control and 
Life Support Systems: Air and Water Regeneration,†

Advances in Space Research

4

, pp. 279-288. 

Shepherd, C. K. (2001) Lockheed Martin Space Operations, Houston, Texas. Personal communication dated 
15 October 2001. 

SMAP (1999) Systems Modeling and Analysis Project, National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. 
Johnson Space Center, Advanced Life Support Program, Houston, Texas. Presented at the Systems Modeling and 
Analysis Project Telecon on 11 March 1999. 

Sridhar, K. R., Finn, J., and Kliss, M. (1998) â€œISRU Technologies for Mars Life Support,†The University of 
Arizona in Tucson, Arizona, and the National Aeronautics and Space Administration, Ames Research Center, 
Moffett Field, California. Presentation to the Advanced Life Support Systems Analysis Workshop, 27 March 1998. 

Stafford, K. W., Jerng, L. T., Drysdale, A. E., Maxwell, S., Levri, J. A. (2001) â€œAdvanced Life Support Systems 
Integration, Modeling, and Analysis Reference Missions Document,†edited by Ewert, M. K., and Hanford, A. J., 
JSC-39502, Revision A, National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, 
Houston, Texas. 

http://advlife.support.jsc.nasa.gov 

Toups, L., Shepherd, C., Fawcett, M., DiPalermo, P., and Winter, J. (2001) “Crew Refrigerator Freezer Rack RFR,†
V6.0, National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas. Internal 
NASA technical interchange meeting package, 17 April 2001. 

Tri, T. O. (2000) “Scoping Document for the BIO-Plex 120-Day Test,†Revision D, National Aeronautics and Space 
Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas. Internal NASA document dated 
03 October 2000. 

Tucker, D., Sandstead, H., Logan, G., Jr., Klevay, L., Mahalko, J., Johnson, L., Inman, L., and Inglett, G. (1981) 
“Dietary fiber and personality factors as determinants of stool output,†

Gastroenterology

81

, pp. 879-883. 

Verostko, C. E., Carrier, C., and Finger, B. W. (2004) â€œErsatz Wastewater Formulations for Testing Water Recovery 
Systems,†SAE Paper 2004-01-2448, 34

th

 International Conference on Environmental Systems, Colorado Springs, 

Colorado, Society of Automotive Engineers, Warrendale, Pennsylvania. 

Verostko, C. E., Garcia, R., Sauer, R., Reysa, R. P., Linton, A. T., and Elms, T. (1989) â€œTest Results on Reuse of 
Reclaimed Shower Water – A Summary,†Paper SAE 891443, 19

th

 Intersociety Conference on Environmental 

Systems, San Diego, California, Society of Automotive Engineers, Warrendale, Pennsylvania. 

Vodovotz, Y. (1999) National Aeronautics and Space Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, 
Texas. Personal communication, May 1999. 

Volk, T., Bugbee, B., and Wheeler, R. (1995) â€œAn Approach to Crop Modeling With the Energy Cascade,†

Life 

Support and Biosphere Science, International Journal of Earth/Space

1

, pp. 119-127. 

Vonau, W. L., Jr. (2002) â€œExamination of Study on Equivalent System Mass for Advance Refrigerator 
Technologies,†MSAD-02-0115, Lockheed Martin Space Operations, Houston, Texas. 

Weast, R. C., and Astle, M. J. (1979) â€œCRC Handbook of Chemistry and Physics,†60

th

 Edition, CRC Press, Inc., 

Boca Raton, Florida. 

background image

 

 

142 

 

 

Weaver, G. S., and Westheimer, D. T. (2002) â€œAdvanced Radiator Concepts and Carbon Velvet Cold Plate 
Thermal/Vacuum Test Post-Test Report,†JSC-47823 (CTSD-ADV-485), National Aeronautics and Space 
Administration, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas. 

Wheeler, R. M. (2001a) National Aeronautics and Space Administration, John F. Kennedy Space Center, Kennedy 
Space Center, Florida. From comments during an ALS project telecon, January 2001. 

Wheeler, R. M. (2001b) National Aeronautics and Space Administration, John F. Kennedy Space Center, Kennedy 
Space Center, Florida. Personal communication from 7 May 2001. This information is a compilation of multiple 
sources as provided by R. M. Wheeler. 

Wheeler, R. M., Corey, K. A., Sager, J. C., and Knott, W. M. (1993) â€œGas Exchange Characteristics of Wheat 
Stands Grown in a Closed, Controlled Environment,†

Crop Science

33

, pp. 161-168. 

Wheeler, R. M., Mackowiak, C. L., Berry, W. L., Stutte, G. W., Yorio, N. C., and Ruffe, L. M. (1997) â€œTen Years of 
Hydroponic Research in NASA’s CELSS Biomass Production Chamber,†Proceedings of the 18

th

 Annual 

Conference, Hydroponic Society of America, pp. 103-113. 

Wheeler, R. M., Mackowiak, C. L., Berry, W. L., Stutte, G. W., Yorio, N. C., Ruffe, L. M., and Sager, J. C. (1999) 
“Nutrient, acid, and water budgets of hydroponically grown crops,†

Acta Horticulturae

481

, pp. 655-661. 

Wheeler, R. M., Mackowiak, C. L., Sager, J. C., Knott, W. M., and Berry, W. L. (1996) â€œProximate Composition of 
CELSS Crops Grown in NASA’s Biomass Production Chamber,†

Advances in Space Research

18

 (4/5), pp. 43-47. 

Wheeler, R. M., Mackowiak, C. L., Stutte, G. W., Sager, J. C., Yorio, N. C., Ruffe, L.M., Fortson, R. E., 
Dreschel, T. W., Knott, W. M., and Corey, K. A. (1995) â€œNASA’s Biomass Production Chamber: A Testbed for 
Bioregenerative Life Support Studies,†

Advances in Space Research

18

, pp. 215-224. 

Wheeler, R. M., Sager, J. C., Prince, R. P., Knott, W. M., Mackowiak, C. L., Stutte, G. W., Yorio, N. C., 
Ruffe, L. M., Peterson, B. V., Goins, G. D., Hinkle, C. R., and Berry, W. L. (2003) â€œCrop Production for Advanced 
Life Support Systems – Observations from the Kennedy Space Center Breadboard Project,†
NASA-TM-2003-211184, National Aeronautics and Space Administration, John F. Kennedy Space Center, Florida, 
February 2003. 

Wieland, P. O. (1998a) “Living Together in Space: The Design and Operation of the Life Support Systems on the 
International Space Station,†Volume 1, NASA-TM-1998-206956, National Aeronautics and Space Administration, 
Marshall Space Flight Center, Huntsville, Alabama. 

Wieland, P. O. (1998b) “Living Together in Space: The Design and Operation of the Life Support Systems on the 
International Space Station,†Volume 2, NASA-TM-1998-206956, National Aeronautics and Space Administration, 
Marshall Space Flight Center, Huntsville, Alabama. 

Williams, D. R. (1997) National Space Science Data Center, National Aeronautics and Space Administration, 
Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland, 19 June 1997. 

http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/moonfact.html 

Winter, J., Zell, M., Hummelsberger, B., Hess, M. P., Eicher, L., DiPalermo, P., Savage, Ch., Tan, G., Cassese, F., 
Santachiara, D., Deceuninck, H., Townsend, P., Kutch, M., Renz, M., and Rapp, U. (2001) â€œThe Crew 
Refrigerator/Freezer Rack for the International Space Station,†SAE paper 2001-01-2223, 31

st

 International 

Conference on Environmental Systems, Society of Automotive Engineers, Warrendale, Pennsylvania. 

Wydeven, T., and Golub, M. A. (1990) â€œGeneration Rates and Chemical Compositions of Waste Streams in a 
Typical Crewed Space Habitat,†NASA Technical Memorandum 102799, National Aeronautics and Space 
Administration, Ames Research Center, Moffett Field, California. 

Wydeven, T., and Golub, M. A., (1991) “Waste Streams in a Crewed Space Habitat,†

Waste Management and 

Research (1991)

9

, pp. 91-101 

Wydeven, T., Tremor, J., Koo, C., and Jacquez, R. (1989) â€œSources and Processing of CELSS Wastes,†

Adv. Space 

Res.

9

, No. 8, pp. 85-97. 

background image

 

 

143 

 

 

7

 

Appendices 

7.1

 

Appendix A:  Acronyms and Abbreviations

AES 

air evaporation subsystem 

ALS 

Advanced Life Support 

ARC 

Ames Research Center 

ATCS 

active thermal control system 

BIO-Plex Bioregenerative 

Planetary 

Life 

Support Systems Test Complex 

BPC 

Biomass Production Chamber at 
Kennedy Space Center 

BVAD 

Baseline Values and Assumptions 
Document (This Document) 

BWP 

biological water processor 

CI controlled 

inorganic 

(compound) 

CO

2

 carbon 

dioxide 

COP

S

 overall 

system 

thermodynamic 

coefficient of performance 

CTMP crewtime-mass-penalty 

[kg/CM-h] 

CTSD 

Crew and Thermal Systems Division 
(at NASA JSC) 

dw 

dry mass (dry â€œweightâ€) 

EATCS external 

active thermal control 

system 

EMU extravehicular 

mobility 

unit 

(space suit) 

EPB 

early planetary base 

ESM equivalent 

system 

mass 

ETCS 

external thermal control system 

EVA extravehicular 

activity 

ffm 

frozen food mass 

fw 

fresh mass (fresh “weightâ€) 

HPS 

high pressure sodium, a type of lamp 

ISRU 

in situ resource utilization 

ISS 

International Space Station 

IST Invariantly-Scheduled 

Time 

ITCS 

internal thermal control system 

IUPAC 

International Union of Pure and 
Applied Chemistry 

IVA 

intra vehicular activity 

JSC 

Johnson Space Center 

KSC 

Kennedy Space Center 

LMLSTP 

Lunar Mars Life Support Test 
Program (integrated human life 
support system test at JSC) 

MAG 

Maximum Absorption Garment (for 
the EMU) 

MEC 

Modified Energy Cascade models 

MPR 

multivariable polynomial regression 

MSFC 

Marshall Space Flight Center 

MW molecular 

weight 

or Megawatt if used as a unit 

n/a not 

applicable 

NASA 

National Aeronautics and Space 
Administration 

O

2

 oxygen 

p(gas) 

partial pressure exerted by gas 

PAR 

photosynthetically active radiation 

pH 

potential of hydrogen 

PLSS 

portable life support system 

PPF 

photosynthetic photon flux 

PV photovoltaic 
RO reverse 

osmosis 

(system) 

R

S

 

system composite thermal resistance 

SI 

Système Internationale d’Unités, or 
International System of Units 
(Metric System) 

SIMA 

Systems Integration, Modeling, and 
Analysis element (of the 
ALS Project) 

SMAC 

spacecraft maximum allowable 
concentration 

SP100 

type of nuclear reactor 

STS 

space transportation system 

SVCHp 

solar vapor-compression heat pump 

TBD 

to be determined 

TIC total 

inorganic 

carbon 

TM transit 

mission 

TOC 

total organic carbon 

TRRJ 

thermal radiator rotary joint 

VST Variably-Scheduled 

Time 

RF

W

ˆ

 

specific power consumption for a 
cooled volume within a cabinet 

Note: Symbols specific to the crop models in Section 4.2.3 are 
defined in Table 

4.2.14 and The

 canopy surface 

conductance, gC [molWater/m²

•

s], is based on the 

canopy stomatal conductance, gS [molWater/m²

•

s], 

and the atmospheric aerodynamic conductance, gA 
[molWater/m²

•

s]. 

 

background image

 

 

144 

 

 

7.2

 

Appendix B:  Abbreviations for Units 

Symbol Actual 

Unit 

Physical 

Correspondence 

°C degrees 

Centigrade 

temperature 

CM crewmember 

person 

CM-d crewmember-day 

crewtime 

CM-h crewmember-hour 

crewtime 

CM-wk crewmember-week 

crewtime 

CM-

℘

 

crewmember-menstrual period 

crewtime 

c centi- 

prefix 

d day 

time 

g gram 

mass 

h hour 

time 

J Joule 

energy 

k kilo- 

prefix 

kW kilowatt 

power 

kW

e

 

kilowatt electric 

electric power 

L liter 

volume 

M mega- 

prefix 

m meter 

length 

m² square 

meter 

area 

m

cubic meter 

volume 

m milli- 

prefix 

meq/L 

milli-equivalents per liter 

concentration 

mol mole 

mole 

N Newton 

force 

Pa Pascal 

pressure 

ppm parts 

per 

million 

concentration 

S Siemens 

conductivity 

s second 

time 

W Watt 

power 

wk week 

time 

y year 

time 

µ micro- 

prefix 

 

background image

 

References: 

(1)

 de Vera (1999); 

(2)

 Calculation; 

(3)

 MADS (2001); 

(4)

 de Vera (1998b); 

(5)

 NASA (2001b); 

(6)

 Niehuss (2001); 

(7)

 NASA (2001c); 

(8)

 de Vera (1998a). 

Note: Hardware entries in 

italics

 are components of assembly entries in 

bold

 type. 

 

145 

 

 

7.3

 

Appendix C:  Life Support Equipment Parameters from the Advanced Life Support Database

 

192

 

7.3.1

 

International Space Station 

Table 7.3.1 

International Space Station Atmosphere Control and Supply 

Assembly or Component 

Mass 
[kg] 

Volume 
[m³] 

Length 
[m] 

Width or 
Diameter 
[m] 

Height 
[m] 

Peak 
Power 
[W] 

Operational 
Average 
Power 
[W] 

MTBF 
[h] 

CMMTTR 
[h] 

Life Limit 
[y] No. 

Cabin Pressure Sensor 

193

 

0.3316

 (1)

0.000369

 (2)

 0.0444

 (1)

 0.0762

 (1)

 0.1092

 (1)

    

  

 

Manual Pressurization Equalization Valve 
(MPEV) 

194

 

1.0795

 (1)

0.002394

 (2)

 0.1143

 (1)

 0.1676

 (1)

 0.1249

 (1)

    

  

 

MPEV with Muffler

 

196

 

0.1134

 (1)

0.000151

 (2)

 0.0355

 (1)

 0.0762

 (1)

 0.0558

 (1)

    

  

 

Negative Pressure Relief Valve

 

195

 

0.9343

 (1)

0.002836

 (2)

 0.163

 (1)

 0.163

 (1)

 0.1066

 (1)

    

  

 

Nitrogen / Oxygen Manual Isolation Valve

 

196

 

3.928

 (3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nitrogen Manual Isolation Valve 

1.0432

 (3)

0.002548

 (7)

 0.1905

 (4)

 0.0355

 (4)

 0.08

 (4)

 

 

 

1.0

×

10 

6

 

0.5   1 

Oxygen Manual Isolation Valve 

0.9616

 (3)

0.002548

 (7)

 

 

 

 

 

 

1.0

×

10 

6

 

0.5   3 

Nitrogen / Oxygen Pressure Restrictor

 

196

 

0.9071

 (4)

0.000189 

(2)

  

0.0355

 (4)

 0.1905

 (4)

    

  

 

Nitrogen / Oxygen Pressure Sensor

 

195

 

0.8436 

(3)

0.002548 

(3)

  

0.0317

 (4)

 0.1778

 (4)

    

  

 

Nitrogen / Oxygen Pressure Vessel

 

197

 

108.8616

 (4)

  

0.9804

 (4)

 1.397

 (4)

    

 

 

 

Nitrogen / Oxygen Regulator / Relief Valve 
Assembly 

197

 

7.8 

  

    

 

 

  1 

Low Pressure Nitrogen Regulator / Relief Valve 
Assembly 

1.9504

 (4)

0.002548 

(3)

 0.2095

 (4)

 0.1333

 (4)

 0.0889

 (4)

     300,000

 (3)

0.52

 (3)

 

 

1

 (3)

Low Pressure Oxygen Regulator / Relief Valve 
Assembly 

1.9504

 (4)

0.002548 

(3)

 0.2095

 (4)

 0.1333

 (4)

 0.0889

 (4)

     300,000

 (3)

0.92

 (3)

 

 

2

 (3)

Medium Pressure Oxygen Regulator / Relief Valve 
Assembly 

1.9504

 (4)

0.002548 

(4)

 0.2095

 (4)

 0.1333

 (4)

 0.0889

 (4)

     300,000

 (3)

0.92

 (3)

 

 

1

 (7)

Oxygen / Nitrogen Latching Motor Valve

 

198

 

4.9

 (3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nitrogen Latching Motor Valves 

1.6329

 (3)

0.004531

 (3)

 0.2032

 (4)

 0.1841

 (4)

 0.1196

 (4)

    

500,000 

0.84 

 

Oxygen Latching Motor Valves 

1.6329

 (3)

0.004531

 (3)

 0.2032

 (4)

 0.1841

 (4)

 0.1196

 (4)

    

500,000 

0.95 

 

                                                           

192

  See Database (2002) 

193

 Function: 

atmospheric pressure monitoring 

194

 Function: 

pressure 

equalization 

195

 Function: 

pressure 

relief 

196

  Function: nitrogen and oxygen flow distribution 

197

  Function: nitrogen and oxygen storage 

background image

 

References: 

(1)

 de Vera (1999); 

(2)

 Calculation; 

(3)

 MADS (2001); 

(4)

 de Vera (1998b); 

(5)

 NASA (2001b); 

(6)

 Niehuss (2001); 

(7)

 NASA (2001c); 

(8)

 de Vera (1998a). 

Note: Hardware entries in 

italics

 are components of assembly entries in 

bold

 type. 

 

146 

 

 

Table 7.3.1 

International Space Station Atmosphere Control and Supply (continued) 

Assembly or Component 

Mass 
[kg] 

Volume 
[m³] 

Length 
[m] 

Width or 
Diameter 
[m] 

Height 
[m] 

Peak 
Power 
[W] 

Operational 
Average 
Power 
[W] 

MTBF 
[h] 

CMMTTR
[h] 

Life Limit
[y] No. 

Oxygen Generation 
Assembly

 

198

 

446  

     

  

 

   1 

Hydrogen 

161.6176

 (6)

 0.146697

 (6)

 0.7874

 (6)

 0.4318

 (6)

 0.4318

 (6)

  

 

27,156

 (6)

 1.1

 (6)

 2.38

 (6)

 

1

 (6)

 

Hydrogen Sensor 

4.3545

 (6)

 0.003398

 (6)

 0.1778

 (6)

 0.1524

 (6)

 0.127

 (6)

     61,845.6

 (6)

 0.6

 (6)

 0.25

 (6)

 

1

 (6)

 

Inlet Deionizing Bed 

28.6675

 (6)

 0.029452

 (6)

 0.6146

 (6)

 0.2362

 (6)

 0.2032

 (6)

  

  296,701.2

 (6)

 0.233

 (6)

 

6

 (6)

 

1

 (6)

 

Nitrogen Purge ORU 

34.2468

 (6)

  

 

 

 

 

 

138,408

 (6)

 

 

 

1

 (6)

 

Oxygen Outlet 

48.1723

 (6)

 0.031152

 (6)

 0.3556

 (6)

 0.3175

 (6)

 0.2768

 (6)

  

 

98,112

 (6)

 0.65

 (6)

 10

 (6)

 

1

 (6)

 

Power Supply Module 

42.6384

 (6)

 0.064852

 (6)

 0.6096

 (6)

 0.381

 (6)

 0.2794

 (6)

  

 

47,479.2

 (6)

 0.583

 (6)

 4.17

 (6)

 

1

 (6)

 

Process Controller 

47.0836

 (6)

 0.083827

 (6)

 0.7213

 (6)

 0.4445

 (6)

 0.2616

 (6)

  

  103,280.4

 (6)

 1.05

 (6)

 7.72

 (6)

 

1

 (6)

 

Pump 

17.9625

 (6)

 0.010152

 (6)

 0.2794

 (6)

 0.2286

 (6)

 0.1574

 (6)

  

  144,540

 (6)

 0.583

 (6)

 

1

 (6)

 

1

 (6)

 

Water 

61.0545

 (6)

 0.075614

 (6)

 0.4572

 (6)

 0.4521

 (6)

 0.3657

 (6)

  

 

33,288

 (6)

 0.966

 (6)

 2.92

 (6)

 

1

 (6)

 

Oxygen Relief Valve 
Assembly

 

199

 

1.9504

 (4)

 0.000849

 (3)

 0.1524

 (4)

 0.2189

 (4)

 0.0533

 (4)

  

 

   

 

Portable Breathing Apparatus 
Quick Disconnect

 

200

 

0.1514

 (1)

  

0.0177

 (1)

 0.019

 (1)

 0.0508

 (1)

  

 

   

 

Positive Pressure Relief 
Valve

 

201

 

1.3607

 (1)

  

0.179

 (1)

 0.1143

 (1)

 0.1524

 (1)

  

 

   

 

Pressure Control Panel

 

201

 

22.68

 (5)

 0.035116

 (3)

 0.4826

 (3)

 0.3149

 (3)

 0.2311

 (3)

  

 

   

 

Firmware Controller 

4.8897

 (8)

 0.005608

 (8)

 0.2057

 (8)

 0.1651

 (8)

 0.1651

 (8)

 15

 (8)

 12

 (8)

  

 

 

Nitrogen Isolation Valve 

1.2927

 (8)

 0.000849

 (8)

  

0.0095

 (8)

  

50

 (8)

 38

 (8)

  

 

 

Oxygen Isolation Valve 

1.2927

 (8)

 0.000849

 (8)

  

0.0095

 (8)

  

50

 (8)

 38

 (8)

  

 

 

Vent and Relief Valve

 

201

 

5.4432

 (8)

 0.01416

 (8)

  

0.0558

 (8)

  

30

 (8)

  

   

  1 

Vent and Relief Control Valve 
(VRCV) 

  

 0.0558

 (8)

  

 

 

 

 

 

Vent and Relief Isolation (VRIV) 

  

 0.0558

 (8)

  

 

 

 

 

 

                                                           

198

 Function: 

oxygen 

generation 

199

 Function: 

pressure 

relief 

200

  Function: emergency equipment 

201

 Function: 

atmospheric pressure control 

background image

 

References: 

(1)

 de Vera (1999); 

(2)

 Calculation; 

(3)

 MADS (2001); 

(4)

 de Vera (1998b); 

(5)

 NASA (2001b); 

(6)

 Niehuss (2001); 

(7)

 NASA (2001c); 

(8)

 de Vera (1998a). 

Note: Hardware entries in 

italics

 are components of assembly entries in 

bold

 type. 

 

147 

 

 

Table 7.3.2 

International Space Station Atmosphere Revitalization Subsystem 

Assembly or Component 

Mass 
[kg] 

Volume 
[m³] 

Length 
[m] 

Width or 
Diameter 
[m] 

Height 
[m] 

Peak Power
[W] 

Operational 
Average 
Power 
[W] 

MTBF 
[h] 

CMMTTR 
[h] 

Life Limit 
[y] No. 

3-way Sample Valve

 

202

 

1.9731

 (1)

 0.002322

 (1)

 0.1778

 (1)

 0.1143

 (1)

 0.1143

 (1)

 

 

 

 

 

 

Carbon Dioxide Removal Assembly

 

203

 

195.3793

 (8)

 0.387984

 (8)

  

 

 

1,487

 (8)

 860

 (8)

  

 

 

Air Pump, Two-Stage, ORU 

10.8861

 (8)

 0.004531

 (3)

 0.084

 (3)

 0.234

 (3)

 0.234

 (3)

 245

 (8)

 23

 (8)

 156,200

 (3)

 1.53

 (3)

 15.29

 (3)

 

1

 (3)

 

Blower 

5.5792

 (8)

 0.025488 

0.61

 (3)

 0.203

 (3)

 0.203

 (3)

 170

 (8)

 170

 (8)

 129,700

 (3)

 1.67

 (3)

 10

 (3)

 1 

Check Valves 

39.9159

 (8)

 0.178416

 (8)

  

 

 

960

 (8)

 346

 (8)

  

 

 

Desiccant Beds 

42.6384

 (3)

 0.08496

 (3)

 1.0922

 (3)

 0.3048

 (3)

 0.254

 (3)

  

 

77,100

 (3)

 2.28

 (3)

  

Heat Controller 

3.3112

 (8)

 0.008496

 (3)

 0.178

 (3)

 0.142

 (3)

 0.216

 (3)

 32

 (8)

 19

 (8)

 242,700

 (3)

 0.55

 (3)

 

 

2

 (3)

 

Precooler 

5.5792

 (8)

 0.025488 

0.61

 (3)

 0.203

 (3)

 0.203

 (3)

  

  129,700

 (3)

 1.67

 (3)

 10

 (3)

 1 

Pump Fan Motor Controller 

2.7215

 (8)

 0.005664

 (3)

 0.14

 (3)

 0.089

 (3)

 0.165

 (3)

 20

 (8)

 

2

 (8)

 

2.272

×

10 

6 (3)

 

0.52

 (3)

 

 

2

 (3)

 

Selector Valves 

3.039

 (8)

 0.001699

 (8)

 0.155

 (3)

 0.109

 (3)

 0.109

 (3)

 60

 (8)

 

1

 (8)

 117,000

 (3)

 0.94

 (3)

 10.61

 (3)

 

6

 (3)

 

Sorbent Beds (Zeolite) 

42.6384

 (3)

 0.08496

 (3)

 1.0922

 (3)

 0.3048

 (3)

 0.254

 (3)

  

 

77,100

 (3)

 2.28

 (3)

  

Catalyst Element Assembly

 

204

 

5.2616

 (1)

 0.004729

 (1)

 0.0939

 (1)

 0.6604

 (1)

 0.0762

 (1)

 

 

 

 

 

 

Major Constituent Analyzer

 

205

 

54.7483

 (8)

 0.43896

 (8)

  

 

 

 

87.6

 (8)

  

  

ORU 1-Data and Control Assembly 

8.0196

 (3)

 0.013214

 (3)

 0.1905

 (3)

 0.2844

 (3)

 0.2438

 (3)

  

34.9

 (8)

 43,500

 (3)

 0.84

 (3)

 10

 (3)

 

1

 (5)

 

ORU 2-Mass Spectrometry Assembly 

13.304

 (3)

 0.023794

 (3)

 0.254

 (3)

 0.4191

 (3)

 0.2235

 (3)

  

31.8

 (8)

 8,180

 (3)

 0.8

 (3)

 4.5

 (3)

 1 

ORU 4-Low Voltage Power Supply Assembly 

5.67

 (3)

 0.005333

 (3)

 0.1574

 (3)

 0.1778

 (3)

 0.1905

 (3)

  

30.8

 (8)

 199,000

 (3)

 0.82

 (3)

 

 

1

 (3)

 

ORU 5-Series Sample Pump Assembly 

3.1298

 (3)

 0.004961

 (3)

 0.2209

 (3)

 0.1016

 (3)

 0.1981

 (3)

 

 

4

 (8)

 11,900

 (3)

 0.71

 (3)

 

2

 (3)

 

1

 (5)

 

ORU 6-Sample Distribution Assembly 

2.1092

 (3)

 0.003613

 (3)

 0.16

 (3)

 0.127

 (3)

 0.1778

 (3)

  

0.1

 (8)

 70,900

 (3)

 0.71

 (3)

 15

 (3)

 

1

 (5)

 

ORU 7-EMI Filter Assembly 

1.4515

 (3)

 0.001699

 (3)

 0.1752

 (3)

 0.0744

 (3)

 0.1303

 (3)

  

1.8

 (8)

 

1.16

×

10 

6 (3)

 

0.71

 (3)

 

 

1

 (3)

 

ORU 8-Verification Gas Assembly 

5.7607

 (3)

 0.013722

 (3)

 0.3098

 (3)

 0.1981

 (3)

 0.2235

 (3)

  

0.1

 (8)

 52,100

 (3)

 0.74

 (3)

 1.5

 (8)

 

1

 (3)

 

Manual Sample Valve

 

204

 

0.2267

 (1)

 0.000589

 (1)

 0.1016

 (1)

 0.0762

 (1)

 0.0762

 (1)

 

 

 

 

 

 

Sample Distribution Assembly

 

204

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Trace Contaminant Control Subsystem

 

206

 

79.8318

 (8)

 0.271866

 (2)

 0.6461

 (8)

 0.4508

 (8)

 0.9331

 (8)

 250

 (8)

 180

 (8)

  

 

 

Activated Charcoal Bed 

36.65

 (8)

 0.075699

 (8)

 0.8255

 (3)

 0.3886

 (3)

 0.3505

 (3)

  

 

215,000

 (3)

 0.7

 (3)

 

 

1

 (3)

 

Blower 

2.9392

 (8)

 0.005899

 (8)

  

 

 

51.75

 (8)

 34.5

 (8)

 121,500

 (3)

 0.38

 (3)

 

5

 (3)

 1 

Catalytic Oxidizer 

11.0449

 (8)

 0.024312

 (8)

 0.2413

 (3)

 0.2463

 (3)

 0.4089

 (3)

 168

 (8)

 120.96

 (8)

 89,500

 (3)

 0.6

 (3)

 

 

1

 (3)

 

Electronic Interface Assembly 

3.4201

 (3)

 0.003749

 (3)

 0.254

 (3)

 0.2235

 (3)

 0.066

 (3)

 7.64

 (8)

 7.64

 (8)

 483,000

 (3)

 0.59

 (3)

 

 

1

 (3)

 

Flowmeter 

1.0886

 (8)

 0.000196

 (8)

 0.1778

 (3)

 0.0635

 (3)

 0.1651

 (3)

 11.5

 (8)

 11.5

 (8)

 936,000

 (3)

 0.35

 (3)

 

 

1

 (3)

 

Lithium Hydroxide Sorbent Bed 

4.1049

 (8)

 0.007823

 (8)

 0.3759

 (3)

 0.16

 (3)

 0.2082

 (3)

  

 

241,000

 (3)

 0.59

 (3)

  

                                                           

202

 Function: 

air 

sampling 

203

  Function: carbon dioxide control 

204

  Function: control gaseous contaminants 

205

  Function: monitor atmospheric partial pressure 

206

  Function: control gaseous contaminants 

background image

 

References: 

(1)

 de Vera (1999); 

(2)

 Calculation; 

(3)

 MADS (2001); 

(4)

 de Vera (1998b); 

(5)

 NASA (2001b); 

(6)

 Niehuss (2001); 

(7)

 NASA (2001c); 

(8)

 de Vera (1998a). 

Note: Hardware entries in 

italics

 are components of assembly entries in 

bold

 type. 

 

148 

 

 

Table 7.3.3 

International Space Station Temperature and Humidity Control 

Assembly or Component 

Mass 
[kg] 

Volume 
[m³] 

Length 
[m] 

Width or 
Diameter 
[m] 

Height 
[m] 

Peak 
Power 
[W] 

Operational 
Average 
Power 
[W] 

MTBF 
[h] 

CMMTTR
[h] 

Life Limit 
[y] No. 

Avionics Air Assembly

 

207

 

12.519

 (3)

 0.033134

 (3)

 0.5969

 (3)

 0.2794

 (3)

 0.1981

 (3)

  

175

 (8)

  

 

  1 

Bacteria Filter Assembly

 

208

 

26.36

 (5)

 0.018781

 (5)

 0.785

 (5)

 0.145

 (5)

 0.165

 (5)

  

 

 

 

 

Bacteria Filter Element 

2.0275

 (3)

 0.009062

 (3)

 0.7112

 (3)

 0.1016

 (3)

 0.127

 (3)

 

 

 

2.0

×

10

 8 (3)

 

0.1

 (3)

   13 

Cabin Diffuser Assembly

 

209

 

0.82

 (5)

 0.003398

 (3)

 0.0635

 (3)

 0.1676

 (3)

 0.3175

 (3)

  

 

 

 

 

Charcoal Catalytic Filter Element

 

210

 

4.46  0.00921 0.711 0.102 0.127    

 

 

 

Common Cabin Air Assembly

 

210

 

96.161

 (8)

 

 

 

 

 

705

 (8)

 469

 (8)

  

 

  1 

Condensing Heat Exchanger 

49.71

 (5)

 0.393293

 (5)

 1.016

 (5)

 0.762

 (5)

 0.508

 (5)

  

 

832,600

 (3)

 1.56

 (3)

  

Electronic Interface Box (EIB) 

4.037

 (3)

 0.017275

 (3)

 0.3302

 (3)

 0.2286

 (3)

 0.2286

 (3)

 

 

 

2.3506

×

10

 6 (3)

 

0.83

 (3)

  

Fan Delta Pressure Sensor 

0.4535

 (8)

 0.000163

 (8)

 0.0558

 (3)

 0.0406

 (3)

 0.1473

 (3)

  

0.24

 (8)

 

1.25

×

10

 6 (3)

 

0.94

 (3)

  

Heat Exchanger Liquid Sensor 

0.635

 (8)

 0.000566

 (8)

 0.098

 (3)

 0.0546

 (3)

 0.0995

 (3)

  

0.009

 (8)

 

1.1363

×

10

 6 (3)

 

0.47

 (3)

  

Inlet ORU 

25.31

 (5)

 0.130875

 (3)

 0.5905

 (8)

 0.4826

 (8)

 0.4889

 (8)

 469

 (8)

  

332,900 

0.39 

 

Pressure Transducer 

0.4762

 (3)

 0.000283

 (3)

 0.1524

 (3)

 0.0406

 (3)

 0.0406

 (3)

  

0.24

 (8)

 

1.25

×

10

 6 (3)

 

0.92

 (3)

 15 

Temperature Control Check Valve (TCCV) 

7.4526

 (3)

 0.00708

 (3)

 0.381

 (3)

 0.1905

 (3)

 0.0965

 (3)

  

 

32,880

 (3)

 0.44

 (3)

  

Temperature Sensor 

0.263

 (3)

 0.001416

 (3)

 0.1046

 (3)

 0.1206

 (3)

 0.1016

 (3)

 

 

 

3.7594

×

10

 7 (3)

 

0.53

 (3)

  

Water Separator 

11.93

 (3)

 0.058285

 (3)

 0.371

 (3)

 0.356

 (3)

 0.434

 (3)

  

 

130,800

 (3)

 0.79

 (3)

 5 

Water Separator Liquid Sensor 

0.635

 (8)

 0.000566

 (8)

 

    

0.009

 (8)

  

 

 

Damper Valve Assembly

 

211

 

2.7215

 (1)

 0.006125

 (1)

 0.1682

 (1)

 0.1574

 (1)

 0.2311

 (1)

  

 

 

 

 

Intermodule Ventilation Muffler

 

213

 

 0.000237

 (1)

 0.0762

 (1)

 0.0558

 (1)

 0.0558

 (1)

  

 

 

 

 

Intermodule Ventilation Caps

 

213

 

1.9 

      

   

  1 

IMV cap 

0.635

 (1)

 0.00192

 (1)

 0.1587

 (1)

 0.1587

 (1)

 0.0762

 (1)

  

 

 

 

 

IMV Cap Flange Saver 

0.4989

 (1)

 0.00192

 (2)

 0.1587

 (1)

 0.1587

 (1)

 0.0762

 (1)

  

 

 

 

 

IMV Leak Check Cap  

0.7257

 (1)

 0.00192

 (2)

 0.1587

 (1)

 0.1587

 (1)

 0.0762

 (1)

  

 

 

 

 

Intermodule Ventilation Fan

 

213

 

4.1657

 (1)

 0.009283

 (2)

 0.2413

 (1)

 0.226

 (1)

 0.1701

 (1)

  

55

 (1)

  

    1 

Intermodule Ventilation Valve

 

213

 

5.2162

 (1)

 0.008284

 (2)

 0.3256

 (1)

 0.1579

 (1)

 0.161

 (1)

 20

 (1)

 7.68

 (1)

  

 

 

Node 1 Cabin Fan

 

211

 

24.9474

 (1)

 0.13935

 (1)

 0.5905

 (1)

 0.4826

 (1)

 0.4889

 (1)

 

1,000

 (1

)

 

180

 (1)

  

 

  1 

Cabin Fan Delta Pressure Sensor 

0.4535

 (1)

 0.000163

 (1)

 

    

0.24

 (1)

  

 

 

                                                           

207

 Function: 

heat 

removal 

208

  Function: particulate and microbial growth control 

209

  Function: intramodule atmosphere circulation 

210

  Function: temperature and humidity control 

211

  Function: intermodule atmosphere circulation 

background image

 

References: 

(1)

 de Vera (1999); 

(2)

 Calculation; 

(3)

 MADS (2001); 

(4)

 de Vera (1998b); 

(5)

 NASA (2001b); 

(6)

 Niehuss (2001); 

(7)

 NASA (2001c); 

(8)

 de Vera (1998a). 

Note: Hardware entries in 

italics

 are components of assembly entries in 

bold

 type. 

 

149 

 

 

Table 7.3.4 

International Space Station Fire Detection and Suppression 

Assembly or Component 

Mass 
[kg] 

Volume 
[m³] 

Length 
[m] 

Width or 
Diameter 
[m] 

Height 
[m] 

Peak 
Power 
[W] 

Operational 
Average 
Power 
[W] 

MTBF 
[h] 

CMMTTR
[h] 

Life 
Limit 
[y] No. 

Portable Fire Extinguisher

 

212

 

7.7563

 (1)

 0.038409

 (5)

 0.4851

 (1)

 0.2606

 (1)

 0.2606

 (1)

  

 

  

  1 

Smoke Detector

 

213

 

1.5422

 (1)

 0.001968

 (2)

 0.1143

 (1)

 0.1301

 (1)

 0.1323

 (1)

   1.48

 (1)

  

  

Table 7.3.5 

International Space Station Vacuum Services 

Assembly or Component 

Mass 
[kg] 

Volume 
[m³] 

Length 
[m] 

Width or 
Diameter 
[m] 

Height 
[m] 

Peak 
Power 
[W] 

Operational 
Average 
Power 
[W] 

MTBF 
[h] 

CMMTTR
[h] 

Life Limit
[y] 

No. 

Load Control Assembly

 

214

 

10.8861

 (8)

 0.01246

 (3)

 0.2794

 (3)

 0.2209

 (3)

 0.2032

 (3)

  

 

   

  1 

On-orbit Support 
Equipment

 

216

 

3.5 

     

  

 

   

VES/VRS jumper 

2.13

 (5)

 0.002556

 (5)

 0.991

 (5)

 0.051

 (5)

 0.051

 (5)

    

  

  1 

VS Equalization tool 

1.37

 (5)

 0.000932

 (5)

 0.206

 (5)

 0.069

 (5)

 0.066

 (5)

    

  

  1 

Vacuum Exhaust System 
(VES)

 

216

 

35.02

 (8)

 

     150

 (8)

 80

 (8)

  

 

 

Cold Cathode Transducer 

2.5401

 (8)

 0.002832

 (3)

 0.3429

 (3)

 0.1041

 (3)

 0.0787

 (3)

 10

 (8)

 

5

 (8)

 400,384

 (3)

 1.22

 (3)

 0.5

 (3)

 

1

 (3)

 

Flexible Metal Bellows 

0.8436

 (8)

  

 

0.0635

 (8)

  

 

 

 

 

 

Non-Propulsive Vent (NPV) 

1.7917

 (3)

 0.005947

 (3)

 0.1524

 (3)

 0.3048

 (3)

 0.127

 (3)

 

 

 

2.0

×

10

 8 (3)

 

0.19

 (3)

 

 

1

 (3)

 

Pirani Gauge Transducer 

1.1339

 (8)

 0.001132

 (3)

 0.2184

 (3)

 0.1041

 (3)

 0.0482

 (3)

 

3

 (8)

 1.5

 (8)

 307,800

 (3)

 1.11

 (3)

 

 

1

 (3)

 

Positive Pressure Transducer 

0.4535

 (8)

 0.000283

 (3)

 0.1016

 (3)

 0.0254

 (3)

 0.0254

 (3)

  

  682,611

 (3)

 1.11

 (3)

 

 

1

 (3)

 

Rack Isolation Valve (1 inch) 

1.8143

 (8)

 0.002548

 (3)

 0.1371

 (3)

 0.0939

 (3)

 0.2032

 (3)

   30

 (8)

 428,700

 (3)

 4.54

 (3)

   13

 (3)

 

Vent Valve (2.5 inch) 

4.672

 (3)

 0.00538

 (3)

 0.2794

 (3)

 0.1727

 (3)

 0.1143

 (3)

   30

 (8)

 347,425

 (3)

 0.43

 (3)

 

 

1

 (3)

 

Vacuum Resource System 
(VRS)

 

216

 

8.8

 (8)

 

     150

 (8)

 80

 (8)

  

 

 

Cold Cathode Transducer 

2.5401

 (8)

 0.002832

 (3)

 0.3429

 (3)

 0.1041

 (3)

 0.0787

 (3)

 10

 (8)

 

5

 (8)

 400,384

 (3)

 1.22

 (3)

 0.5

 (3)

 

1

 (3)

 

Pirani Gauge Transducer 

1.1339

 (8)

 0.001132

 (3)

 0.2184

 (3)

 0.1041

 (3)

 0.0482

 (3)

 

3

 (8)

 1.5

 (8)

 307,800

 (3)

 1.11

 (3)

 

 

1

 (3)

 

Positive Pressure Transducer 

0.4535

 (8)

 0.000283

 (3)

 0.1016

 (3)

 0.0254

 (3)

 0.0254

 (3)

  

  682,611

 (3)

 1.11

 (3)

 

 

1

 (3)

 

Vent Valve (2.5 inch) 

4.672

 (3)

 0.00538

 (3)

 0.2794

 (3)

 0.1727

 (3)

 0.1143

 (3)

   30

 (8)

 347,425

 (3)

 0.43

 (3)

 

 

1

 (3)

 

                                                           

212

 Function: 

fire 

suppression 

213

 Function: 

fire 

detection 

214

  Function: supply vacuum services 

background image

 

References: 

(1)

 de Vera (1999); 

(2)

 Calculation; 

(3)

 MADS (2001); 

(4)

 de Vera (1998b); 

(5)

 NASA (2001b); 

(6)

 Niehuss (2001); 

(7)

 NASA (2001c); 

(8)

 de Vera (1998a). 

Note: Hardware entries in 

italics

 are components of assembly entries in 

bold

 type. 

 

150 

 

 

Table 7.3.6 

International Space Station Water Recovery and Management 

Assembly or Component 

Mass 
[kg] 

Volume 
[m³] 

Length 
[m] 

Width or 
Diameter 
[m] 

Height 
[m] 

Peak 
Power 
[W] 

Operational 
Average 
Power 
[W] 

MTBF 
[h] 

CMMTTR
[h] 

Life Limit 
[y] No. 

Condensate Water Storage Assembly

 

215

 

21.3373

 (3)

 0.145848

 (3)

 0.9296

 (3)

 0.3962

 (3)

 0.3962

 (3)

    

   

 

Contingency Water Container

 

217

 

1.18

 (5)

 0.017663

 (5)

 0.61

 (5)

 0.381

 (5)

 0.076

 (5)

   

   

 

Fuel Cell Water Tank

 

217

 

72.1224

 (3)

 0.381187

 (3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Overboard Water Vent

 

216

 

1.4605

 (3)

 0.007363

 (3)

 0.1955

 (3)

 0.193

 (3)

 0.193

 (3)

   

   

 

Urine Processor Assembly

 

217

 

291 

      

 

 

  1 

Distillation Assembly 

92.7612

 (6)

 0.142166

 (6)

 0.762

 (6)

 0.4318

 (6)

 0.4318

 (6)

    

142,525.2

 (6)

 0.95

 (6)

 

2

 (6)

 

1

 (6)

 

Firmware Controller Assembly 

23.0882

 (6)

 0.028603

 (6)

 0.2921

 (6)

 0.3835

 (6)

 0.2565

 (6)

    

27,331.2

 (6)

 1.15

 (6)

 2.4

 (6)

 

1

 (6)

 

Fluids Control and Pump Assembly 

47.5826

 (6)

 0.073065

 (6)

 0.6883

 (6)

 0.4216

 (6)

 0.2514

 (6)

    

90,140.4

 (6)

 2.066

 (6)

 

4

 (6)

 

1

 (6)

 

Pressure Control and Pump Assembly 

49.0795

 (6)

 0.115828

 (6)

 0.7416

 (6)

 0.4622

 (6)

 0.3378

 (6)

    

181,507.2

 (6)

 0.916

 (6)

 

2

 (6)

 

1

 (6)

 

Recycle Filter Tank Assembly 

15.377

 (6)

 0.101102

 (6)

 0.8382

 (6)

 0.4318

 (6)

 0.2794

 (6)

    

199,640.4

 (6)

 0.916

 (6)

 0.08

 (6)

 

1

 (6)

 

Separator Plumbing Assembly 

16.7832

 (6)

 0.022939

 (6)

 0.8178

 (6)

 0.1727

 (6)

 0.1625

 (6)

    

384,651.6

 (6)

 0.816

 (6)

 

1

 (6)

 

1

 (6)

 

Wastewater Storage Tank Assembly 

45.9496

 (6)

 0.039364

 (6)

 0.8255

 (6)

 0.2184

 (6)

 0.2184

 (6)

    

184,222.8

 (6)

 1.716

 (6)

 10

 (6)

 

1

 (6)

 

Water Processor Assembly

 

218

 

781 

      

 

 

  1 

Catalytic Reactor 

67.042

 (6)

 0.115545

 (6)

 0.7874

 (6)

 0.4191

 (6)

 0.3505

 (6)

    

25,579.2

 (6)

 1.183

 (6)

 2.25

 (6)

 

1

 (6)

 

Gas Separator 

39.1456

 (6)

 0.065985

 (6)

 0.7112

 (6)

 0.4064

 (6)

 0.2286

 (6)

    

84,008.4

 (6)

 0.716

 (6)

 

1

 (6)

 

1

 (6)

 

Ion Exchange Bed 

13.0183

 (6)

 0.017275

 (6)

 0.8128

 (6)

 0.1905

 (6)

 0.1117

 (6)

    

296,701.2

 (6)

 0.266

 (6)

 0.16

 (6)

 

1

 (6)

 

Microbial Check Valve 

5.7607

 (6)

 0.006513

 (6)

 0.3175

 (6)

 0.1473

 (6)

 0.1397

 (6)

    

143,488.8

 (6)

 0.266

 (6)

 

1

 (6)

 

1

 (6)

 

Multifiltration Bed #1 

149.2344

 (6)

 0.065702

 (6)

 0.7442

 (6)

 0.4394

 (6)

 0.2006

 (6)

    

296,701.2

 (6)

 0.383

 (6)

 0.36

 (6)

 

1

 (6)

 

Multifiltration Bed #2 

149.2344

 (6)

 0.065702

 (6)

 0.7442

 (6)

 0.4394

 (6)

 0.2006

 (6)

    

296,701.2

 (6)

 0.383

 (6)

 0.36

 (6)

 

1

 (6)

 

Particulate Filter 

32.2509

 (6)

 0.071649

 (6)

 0.6172

 (6)

 0.508

 (6)

 0.2286

 (6)

    

717,356.4

 (6)

 0.25

 (6)

 0.22

 (6)

 

1

 (6)

 

pH Adjuster 

2.5401

 (6)

 0.002548

 (6)

 0.2032

 (6)

 0.127

 (6)

 0.1016

 (6)

    

137,181.6

 (6)

 

0

 (6)

 

1

 (6)

 

1

 (6)

 

Process Controller 

44.9971

 (6)

 0.083827

 (6)

 0.7213

 (6)

 0.4445

 (6)

 0.2616

 (6)

    

87,950.4

 (6)

 0.683

 (6)

 7.72

 (6)

 

1

 (6)

 

Pump Separator 

31.3437

 (6)

 0.086942

 (6)

 0.7543

 (6)

 0.4318

 (6)

 0.2667

 (6)

    

42,398.4

 (6)

 0.7

 (6)

 

2

 (6)

 

1

 (6)

 

Reactor Health Sensor 

16.8285

 (6)

 0.04248

 (6)

 0.6604

 (6)

 0.254

 (6)

 0.254

 (6)

   

56,677.2

 (6)

 0.666

 (6)

 

1

 (6)

 

1

 (6)

 

Sensor 

4.8081

 (6)

 0.003398

 (6)

 0.1778

 (6)

 0.1524

 (6)

 0.127

 (6)

   

143,664

 (6)

 0.65

 (6)

 10

 (6)

 

1

 (6)

 

Separator Filter 

7.6658

 (6)

 0.010195

 (6)

 0.3429

 (6)

 0.1778

 (6)

 0.1676

 (6)

    

359,072.4

 (6)

 0.233

 (6)

 0.84

 (6)

 

1

 (6)

 

Start-up Filter 

9.4348

 (6)

 0.018408

 (6)

 0.635

 (6)

 0.2286

 (6)

 0.127

 (6)

   

226,884

 (6)

 

0

 (8)

 19.92

 (6)

 

1

 (6)

 

Wastewater 

103.2847

 (6)

 0.163123

 (6)

 0.7772

 (6)

 0.4775

 (6)

 0.4394

 (6)

    

53,611.2

 (6)

 0.65

 (6)

 4.71

 (6)

 

1

 (6)

 

Water Delivery 

47.5372

 (6)

 0.09742

 (6)

 0.7874

 (6)

 0.4394

 (6)

 0.2819

 (6)

    

64,561.2

 (6)

 0.633

 (6)

 

5

 (6)

 

1

 (6)

 

Water Storage 

56.7453

 (6)

 0.175017

 (6)

 0.8077

 (6)

 0.4394

 (6)

 0.4927

 (6)

    

44,676

 (6)

 0.65

 (6)

 3.92

 (6)

 

1

 (6)

 

                                                           

215

 Function: 

water 

storage 

216

 Function: 

water 

venting 

217

 Function: 

process 

urine 

218

 Function: 

process 

wastewater 

background image

 

References: 

(1)

 Doinier; 

(2)

 Calculation. 

Note: Hardware entries in 

italics

 are components of assembly entries in 

bold

 type. 

 

151 

 

 

7.3.2

 

Spacelab 

Table 7.3.7 

Spacelab Atmosphere Revitalization Subsystem 

Assembly or Component 

Mass 
[kg] 

Volume 
[m³] 

Length 
[m] 

Width or 
Diameter 
[m] 

Height 
[m] 

Peak 
Power 
[W] 

Operational 
Average 
Power 
[W] 

MTBF 
[h] 

CMMTTR
[h] 

Life 
Limit 
[y] 

No. 

Cabin Fan Assembly

 

219

 

18.96 0.081622 0.4612 0.3027 0.5844 399 

 

   

 

Cabin Fan 

2.7 0.00562 0.1428 

0.1868 

0.2105   395 

  

  2 

Check Valve 

0.205 0.004299  0.0421 0.1802   

 

 

   

 

Debris Trap Filter 

0.85 0.001482 0.381 0.2286 0.017 

 

 

   

 

Power Factor Corrector 

0.93 0.001032 0.1524 0.0889 0.0762 

 

   

 

Carbon Dioxide Control 
Assembly

 

220

 

24.1

 (1)

 0.191135

 (2)

 0.7

 (1)

 0.635

 (1)

 0.43

 (1)

   0.2

 (1)

  

  

Carbon Dioxide Control 
Assembly

 

222

 

3.06  

 

 

 

 

 

  

  1 

Carbon Dioxide Absorber Element 

3.06 0.025968 0.2872 0.1696   

 

 

   

 

Humidity and Temperature 
Control Assembly

 

221

 

19.43 0.078403 0.2529 0.5751 0.5389 

 

0.85 

   

 

Condensing Heat Exchanger 

17.77 0.078401 0.2529 0.5751 0.5389 

 

0.85 

   

 

Temperature Control Valve 

2.3 0.0272 0.4351 

0.2159 

0.2895   

 

  

  1 

Water Separator Assembly

 

222

 

97.6 0.040714 

0.5003 

0.3048 

0.2669    48 

  

  1 

Liquid Check Valve 

0.055 0.000102  0.0508 0.0254   

 

 

   

 

Power Factor Corrector 

0.759 0.001032  0.1524 0.0889  0.0762 

 

   

 

Rotary Separator 

2.55 0.015127 0.1524 0.1778   

  43 

   

 

Table 7.3.8 

Spacelab Active Thermal Control Subsystem 

Assembly or Component 

Mass 
[kg] 

Volume 
[m³] 

Length 
[m] 

Width or 
Diameter 
[m] 

Height 
[m] 

Peak 
Power 
[W] 

Operational 
Average 
Power 
[W] 

MTBF 
[h] 

CMMTTR
[h] 

Life 
Limit 
[y] No. 

Freon Pump Package

 

223

 

22.4 0.044586 

0.48 0.2997 

0.0988    315 

   

 

Water Pump Package

 

225

 

21.09 0.036565 0.3937 0.2997 0.3098 

 

66 

   

 

                                                           

219

  Function: intramodule atmosphere circulation 

220

  Function: carbon dioxide control 

221

  Function: temperature and humidity control 

222

  Function: humidity control 

223

 Function: 

heat 

removal 

background image

 

References: 

(1)

 Doinier; 

(2)

 Calculation. 

Note: Hardware entries in 

italics

 are components of assembly entries in 

bold

 type. 

 

152 

 

 

Table 7.3.9 

Spacelab Temperature and Humidity Control 

Assembly or Component 

Mass 
[kg] 

Volume 
[m³] 

Length 
[m] 

Width or 
Diameter 
[m] 

Height 
[m] 

Peak 
Power 
[W] 

Operational 
Average 
Power 
[W] 

MTBF 
[h] 

CMMTTR
[h] 

Life 
Limit 
[y] No. 

Avionics Fan

 

224

 

20

 (1)

 0.0516

 (2)

 0.5

 (1)

 0.43

 (1)

 0.24

 (1)

 

670 
130

 (1)

 

225

 

  

 

 

Avionics Heat Exchanger 
Assembly

 

226

 

15.6

 (1)

 0.039525

 (2)

 0.383

 (1)

 0.43

 (1)

 0.24

 (1)

  

4,510

 (1)

  

 

 

Cabin Fan

 

226

 

18.7

 (1)

 0.126449

 (2)

 0.85

 (1)

 0.483

 (1)

 0.308

 (1)

   403

 (1)

  

 

 

Humidity and Temperature 
Control Assembly

 

226

 

19.4

 (1)

 0.104147

 (2)

 0.539

 (1)

 0.582

 (1)

 0.332

 (1)

   51

 (1)

  

 

 

Table 7.3.10 

Spacelab Water Recovery and Management 

Assembly or Component 

Mass 
[kg] 

Volume 
[m³] 

Length 
[m] 

Width or 
Diameter 
[m] 

Height 
[m] 

Peak 
Power 
[W] 

Operational 
Average 
Power 
[W] 

MTBF 
[h] 

CMMTTR
[h] 

Life 
Limit 
[y] 

No. 

Condensate Overboard Dumping 
Assembly

 

227

 

4.5

 (1)

 0.00896

 (2)

 0.4

 (1)

 0.14

 (1)

 0.16

 (1)

  

150

 (1)

  

 

 

Condensate Storage Assembly

 

228

 

9.9

 (1)

  

 

0.52

 (1)

  

 

 

   

 

Water Separator Assembly

 

229

 

9.8

 (1)

 0.04272

 (2)

 0.5

 (1)

 0.32

 (1)

 0.267

 (1)

  48

 (1)

  

 

 

                                                           

224

  Function: temperature and humidity control 

225

  The values here are for high-speed and low-speed settings, respectively. 

226

  Function: intramodule atmosphere circulation 

227

 Function: 

water 

venting 

228

 Function: 

water 

storage 

229

 Function: 

process 

wastewater 

background image

 

References: 

(1)

 Doinier; 

(2)

 Calculation. 

Note: Hardware entries in 

italics

 are components of assembly entries in 

bold

 type. 

 

153 

 

 

7.3.3

 

Space Shuttle Program 

Table 7.3.11 

Space Shuttle Atmosphere Revitalization Subsystem 

Assembly or Component 

Mass 
[kg] 

Volume 
[m³] 

Length 
[m] 

Width or 
Diameter 
[m] 

Height 
[m] 

Peak 
Power 
[W] 

Operational 
Average 
Power 
[W] 

MTBF 
[h] 

CMMTTR
[h] 

Life Limit
[y] 

No. 

Ambient Temperature Catalytic 
Oxidizer

 

230

 

1.5422 0.011163  0.3444  0.1016   

 

 

   

 

ARS Instrumentation

 

231

 

1.421 

     

  

 

   

Cabin Temperature Controller 

4.4452 0.010222 0.2603 0.1849 0.2123 

 

16 

   

 

Carbon Dioxide Partial Pressure 
Sensor 

0.3855 0.000145 0.0635 0.0635 0.1524 

 

0.2 

   

 

Humidity Sensor 

0.36

 (1)

 

 

 

 

 

 

0.5

 (1)

  

  

IR Carbon Dioxide Sensor 

0.6

 (1)

 

 

 

 

 

2.4

 (1)

  

  

  1 

Pressure Sensor 

0.25

 (1)

 

0.000291 

0.092 0.0317  

 

0.5

 (1)

  

  

Quantity Sensor 

0.2268 0.000238  0.064  0.0576  0.0645 

 

0.01 

   

 

Speed Sensor 

0.0453 0.000032 0.0254 0.0254 0.0508 

 

 

   

 

Temperature Sensor 

0.0771 0.000015  0.0731  0.0082   

 

 

   

 

Temperature Sensor, Thermistor 

0.0407

 (1)

 0.000054 

0.0546 

0.0177 

 

 

 

 

 

 

Water Quantity Sensor 

0.17

 (1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Avionics Cooling Assembly

 

232

 

12.787  0.056609 0.3556 0.5969 0.2667  185 

 

   

 

Avionics Check Valve 

0.3538 0.007953  0.1041  0.1559   

 

 

   

 

Avionics Fan 

1.8597 0.010127  0.1388  0.1524   

180 

 

   

 

Avionics Heat Exchanger 

6.3957 0.023644  0.353  0.3337  0.2006 

 

 

   

 

Signal Conditioner 

0.8618 0.002457  0.1778  0.16 

0.0863 

 

   

 

Beam Assembly

 

233

 

7.9969 0.063857 0.1747 0.6096 0.5994 

 

 

   

 

Cabin Air Fan

 

234

 

18.6

 (1)

 0.038198

 (2)

 0.4699

 (1)

 0.3556

 (1)

 0.2286

 (1)

 70

 (1)

 20.5

 (1)

  

  

Cabin Air Fan and Debris Trap 
Assembly

 

236

 

17.191  0.1914  0.9042 0.3078 0.6876  495 

 

   

 

Cabin Air Fan 

2.6989 0.00562  0.1428 0.1868 0.2105  495 

 

   

 

Check Valve 

0.2041 0.003742  0.0393  0.1734   

 

 

   

 

Debris and Filter Trap 

0.1134 0.000492 0.2148 0.2148 0.0106 

 

 

   

 

Signal Conditioner-ARS 

0.9979 0.002465 0.1607 0.1785 0.0858 

 

   

 

Nitrogen Storage Tank

 

235

 

 0.137337

 (1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Oxygen Auxiliary Tank

 

237

 

 0.13677

 (1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                           

230

  Function: carbon monoxide control 

231

  Function: temperature and humidity control 

232

 Function: 

heat 

removal 

233

 Function: 

equipment 

mounting 

234

  Function: intramodule atmosphere circulation 

235

  Function: nitrogen and oxygen storage 

background image

 

References: 

(1)

 Doinier; 

(2)

 Calculation. 

Note: Hardware entries in 

italics

 are components of assembly entries in 

bold

 type. 

 

154 

 

 

Table 7.3.11 

Space Shuttle Atmosphere Revitalization Subsystem (continued) 

Assembly or Component 

Mass 
[kg] 

Volume 
[m³] 

Length 
[m] 

Width or 
Diameter 
[m] 

Height 
[m] 

Peak 
Power 
[W] 

Operationa
l Average 
Power 
[W] 

MTBF 
[h] 

CMMTTR
[h] 

Life Limit 
[y] No. 

Carbon Dioxide Absorber and 
Temperature Control Assembly

 

236

 

17.355 

0.258958 

0.635 

0.6634 

0.6146 

  

 

  1 

Cabin Temperature Selector 

0.2494 0.000585 0.0838 0.0838 0.0833 

0.01 

 

 

 

 

Carbon Dioxide Absorber Element 
(with LiOH Canister) 

2.903 

0.025968 

0.2872 

0.1696 

 

  

 

  2 

Electric Actuator 

0.4989 0.000561 0.1173 0.0627 0.0762  57.5  34.5 

 

 

 

Temperature Control Valve 

2.2952 0.035743 0.4351 0.2402 0.3418 

 

 

 

 

 

Emergency Breathing Provisions

 

237

 

5.6 

     

  

 

  1 

Breathing Regulator 

0.1

 (1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Oxygen System 

5.5

 (1)

 0.00131

 (1)

 0.4318

 (1)

 0.0698

 (1)

 

 

 

 

 

 

 

Humidity Control Heat Exchanger 
Assembly

 

238

 

20.0718 0.092732 0.5384 0.5199 0.3312 

 

0.003 

 

 

 

Humidity Control Heat Exchanger 

19.913 0.092583 0.5384 0.5207 0.3302 

 

 

 

 

 

Signal Conditioner 

1.8597 

0.004358 

0.207 0.207 0.1016 

 

   

 

IMU Fan Assembly

 

239

 

10.9317 0.068252  0.889  0.3556  0.2159 

 

50 

 

 

 

Check Valve 

0.0408 

0.000761 

0.0447 

0.0736 

 

  

 

  3 

Filter 

0.0095 

0.476538 

0.3479 

0.6604 

 

  

 

  1 

IMU Fan 

2.1273 0.004817 0.2032 0.0889 0.2667 

 

 

 

 

 

IMU Fan Motor 

1.1793 0.001389  0.0762  0.0762   

 

50 

 

 

 

IMU Heat Exchanger 

3.2886 0.008117 0.1892 0.2095 0.2047 

 

 

 

 

 

Self Sealing Coupling 

0.2268 

0.000272 

0.0685 

0.0355 

 

  

 

  1 

Signal Conditioner 

0.9298 0.002464 0.1785 0.1607 0.0858 

 

 

 

 

Multi-Purpose Heat Exchanger

 

240

 

2.1772 0.005473 0.3131 0.1965 0.0889 

 

 

 

 

 

Primary Water Pump Package

 

241

 

14.4879 0.035708  0.4599  0.319  0.2433  239.5 

 

 

 

 

Accumulator 

2.0412 

0.027972 

0.2794 

0.1785 

 

  

 

  1 

Filter 

0.0589 

0.00042 

0.0599 

0.0472 

 

  

 

  1 

Self-Sealing Couplings 

0.17 

0.000154 

0.0762 

0.0254 

 

  

 

  3 

Water Bypass Controller 

1.7917 0.00598  0.2329 0.2329 0.1102 

 

 

 

 

Water Bypass Valve 

1.2746 0.001839 0.1778 0.1163 0.0889  57.5  34.5 

 

 

 

Water Pump 

1.8824 0.001045 0.1651 0.0683 0.0927 

 

197 

 

 

 

Water Pump Check Valve 

0.9072 0.000488 0.1407 0.0899 0.0386 

 

 

 

 

 

                                                           

236

  Function: carbon dioxide control 

237

  Function: emergency equipment 

238

  Function: humidity control 

239

  Function: intermodule atmosphere circulation 

240

 Function: 

heat 

removal 

241

 Function: 

temperature 

control 

background image

 

References: 

(1)

 Doinier; 

(2)

 Calculation. 

Note: Hardware entries in 

italics

 are components of assembly entries in 

bold

 type. 

 

155 

 

 

Table 7.3.11 

Space Shuttle Atmosphere Revitalization Subsystem (concluded) 

Assembly or Component 

Mass 
[kg] 

Volume 
[m³] 

Length 
[m] 

Width or 
Diameter 
[m] 

Height 
[m] 

Peak 
Power 
[W] 

Operational 
Average 
Power 
[W] 

MTBF 
[h] 

CMMTTR
[h] 

Life Limit 
[y] No. 

Regenerative Carbon Dioxide 
Removal System

 

242

 

147

 (1)

 0.309998

 (2)

 0.4635

 (1)

 0.6794

 (1)

 0.9842

 (1)

 311

 (1)

 110

 (1)

  

 

 

Canister Assembly 

42.5

 (1)

 0.096816

 (2)

 0.8699

 (1)

 0.254

 (1)

 0.4381

 (1)

  

 

 

 

 

Controller 

8.8

 (1)

 0.014984

 (2)

 0.164

 (1)

 0.3238

 (1)

 0.2819

 (1)

 

 

 

 

 

 

2

 (1)

 

Crew Setting Valve 

0.5

 (1)

 0.000514

 (2)

 0.0787

 (1)

 0.1186

 (1)

 0.0551

 (1)

 

 

 

 

 

 

1

 (1)

 

Fan 

2.13

 (1)

 0.004817

 (2)

 0.2032

 (1)

 0.0889

 (1)

 0.2667

 (1)

  

56

 (1)

 

 

 

 

1

 (1)

 

Inlet Muffler and Filter 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 (1)

 

Odor Filter: Charcoal, Shell 
Cartridge, Cloth Liner 

2.5

 (1)

 0.011328

 (1)

  

0.1696

 (1)

 0.287

 (1)

  

 

 

 

0.0246575

 (1)

 1 

Outlet Muffler 

0.35

 (1)

  

 

0.0762

 (1)

 0.3556

 (1)

 

 

 

 

 

 

1

 (1)

 

Pressure Equalization Valve 

0.73

 (1)

  

 

0.0508

 (1)

 0.1422

 (1)

 

 

 

 

 

 

6

 (1)

 

System Sensors 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 (1)

 

Ullage Save Compressor 

6.21

 (1)

 0.005649

 (2)

 0.1143

 (1)

 0.1955

 (1)

 0.2527

 (1)

 250

 (1)

 180

 (1)

 

 

 

 

1

 (1)

 

Vacuum Cycle Valve (VCV) 

1.23

 (1)

 0.001364

 (2)

 0.1056

 (1)

 0.1104

 (1)

 0.1168

 (1)

 

 

 

 

 

 

2

 (1)

 

Vacuum Cycle Valve Actuator 

0.89

 (1)

 0.000469

 (2)

 0.0736

 (1)

 0.0533

 (1)

 0.1193

 (1)

 

 

 

 

 

 

2

 (1)

 

Secondary Pump and 
Accumulator Assembly

 

243

 

12.6735 0.035708 0.4599 0.319  0.2433 239.5   

 

 

 

Water Separator Assembly

 

244

 

7.8472 0.024189 0.2656 0.448  0.2032  

 

 

 

 

Fan / Separator 

2.5401 0.015127 0.1524 0.1778  

43   

 

 

 

Fan / Separator Motor 

1.0659 0.001389 0.0762 0.0762  

40   

 

 

 

Gas Check Valve 

0.009 0.000145 

0.0276 

0.0408 

 

 

 

 

 

 

Liquid Check Valve 

0.0498 0.000102 0.0508 0.0254  

 

 

 

 

 

Signal Conditioner 

0.9208 0.002464 0.1785 0.1607 0.0858 4 

 

 

 

 

Table 7.3.12 

Space Shuttle Airlock Support Subsystem 

Assembly or Component 

Mass 
[kg] 

Volume 
[m³] 

Length 
[m] 

Width or 
Diameter 
[m] 

Height 
[m] 

Peak 
Power 
[W] 

Operational 
Average 
Power 
[W] 

MTBF 
[h] 

CMMTTR
[h] 

Life Limit
[y] No. 

LCVG Heat Exchanger

 

245

 

 0.001966

 (2)

 0.0762

 (1)

 0.2032

 (1)

 0.127

 (1)

 

 

 

 

 

 

 

                                                           

242

  Function: carbon dioxide control 

243

 Function: 

temperature 

control 

244

  Function: humidity control 

245

  Function: temperature and humidity control 

background image

 

References: 

(1)

 Doinier; 

(2)

 Calculation. 

Note: Hardware entries in 

italics

 are components of assembly entries in 

bold

 type. 

 

156 

 

 

Table 7.3.13 

Space Shuttle Active Thermal Control Subsystem 

Assembly or Component 

Mass 
[kg] 

Volume 
[m³] 

Length 
[m] 

Width or 
Diameter 
[m] 

Height 
[m] 

Peak 
Power 
[W] 

Operational 
Average 
Power 
[W] 

MTBF 
[h] 

CMMTTR
[h] 

Life Limit
[y] No. 

Ammonia Boiler Subsystem

 

246

 

 0.346881

 (2)

 1.0668

 (1)

 0.6096

 (1)

 0.5334

 (1)

  

 

 

 

 

Cold Plates 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Evaporator / Control 

 0.224028

 (2)

 0.5334

 (1)

 0.5334

 (1)

 0.7874

 (1)

 

 

 

 

 

 

1

 (1)

 

Flash Evaporator Subsystem Water 
Accumulator 

   0.1676

 (1)

 0.0914

 (1)

 

 

 

 

 

 

 

1

 (1)

 

Flash Evaporation Assembly

 

248

 

26.2543 0.130535 0.5461 0.4953 0.4826 200   

 

 

 

Evaporator 

7.4844 0.149054 

0.4191 0.3365  

 

 

 

 

 

Flash Evaporator Controller 

1.7463  0.001769 0.1524 0.1524 0.0762  

 

 

 

Flash Evaporator, Controller No.3 

1.7463  0.001769 0.1524 0.1524 0.0762  

 

 

 

High Load Duct Assembly 

10.9 

           

 1 

High Load Valve / Nozzle Assembly 

0.4989  0.00043  0.0889 0.0762 0.0635  

35 

 

 

 

Nozzle Heater 

0.254  

0.3048 

 

 

 

25 

 

 

 

Sonic Nozzle Assembly 

1.2247 0.015217 

0.1778 0.1651  

 

25 

 

 

 

Topping Duct Assembly 

25.7191 

           

 1 

Topping Valve / Nozzle Assembly 

0.5443  0.000399 0.0825 0.0762 0.0635  

35 

 

 

 

Flow Proportioning Module

 

248

 

1.7236 0.004244

 (2)

 0.1778

 (1)

 0.1016

 (1)

 0.2495

 (1)

 57.5 

34.5 

 

 

 

Flow Proportioning Valve 

 

0.004244 0.1778 0.1016 0.2495  

 

 

 

 

Flow Sensor 

0.7484  0.001721 0.1778 0.0645 0.1501  

0.84 

 

 

 

Signal Conditioner 

2.0865  0.004034 0.1656 0.1498 0.1625  

10 

 

 

 

Freon Pump Package, Single 
Pumps

 

248

 

19.0466 0.0854

 (2)

 0.7226

 (1)

 0.3276

 (1)

 0.3606

 (1)

 360 

 

 

 

 

Check Valve 

1.8144 

   0.019 

       

 1 

Filter 

0.136 0.000106 

0.1016 

0.0182 

 

 

 

 

 

 

Freon Accumulator 

10.8864 0.238894 0.6913 0.3317  

 

 

 

 

 

Freon Pump 

1.769  0.001585 0.2006 0.0889 0.0889 360   

 

 

 

Freon Pump Package, Two 
Pumps

 

248

 

20.294 0.0854

 (1)

 0.7223 0.3276 0.3606 360   

 

 

 

Freon To Water Interchanger

 

248

 

14.3791 0.023819

 (2)

 0.7467

 (1)

 0.2616

 (1)

 0.1219

 (1)

  

 

 

 

 

Fuel Cell Heat Exchanger

 

248

 

7.6114 0.010406

 (2)

 0.4114

 (1)

 0.2032

 (1)

 0.1244

 (1)

  

0.002 

 

 

 

Ground Support Equipment Heat 
Exchanger

 

248

 

 0.007039

 (2)

 0.3429

 (1)

 0.1879

 (1)

 0.1092

 (1)

  

 

 

 

 

Hydraulics Heat Exchanger

 

248

 

11.1132 0.020808

 (2)

 0.4699

 (1)

 0.2614

 (1)

 0.1676

 (1)

 

 

 

 

 

 

 

Payload Heat Exchanger

 

248

 

19.6408 0.013225

 (2)

 0.5359

 (1)

 0.2159

 (1)

 0.1143

 (1)

  

 

 

 

 

Radiator System

 

248

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                           

246

 Function: 

heat 

removal 

background image

 

References: 

(1)

 Doinier; 

(2)

 Calculation. 

Note: Hardware entries in 

italics

 are components of assembly entries in 

bold

 type. 

 

157 

 

 

Table 7.3.13 

Space Shuttle Active Thermal Control Subsystem (continued) 

Assembly or Component 

Mass 
[kg] 

Volume 
[m³] 

Length 
[m] 

Width or 
Diameter 
[m] 

Height 
[m] 

Peak 
Power 
[W] 

Operational 
Average 
Power 
[W] 

MTBF 
[h] 

CMMTTR
[h] 

Life Limit
[y] No. 

Water Boiler, Thermal Control, 
Hydraulic

 

247

 

71.6824 0.345493  0.8636  0.7874  0.508 

150 

100 

 

 

 

Heater 

0.1134 0.000032  0.2984  0.085  0.0012 

 

14.7-31.7 

 

 

 

Hydraulic Pressure Relief Valve 

1.134 0.000201 0.1041 0.0762 0.0254 

 

 

   

 

Water Boiler 

33.0493 0.096167  0.4445  0.3111  0.6953 

 

 

 

 

 

Water Shutoff Valve 

0.6441 0.000225  0.1082  0.0482  0.0431 

 

50 

 

 

 

Water Spray Boiler Controller 

4.3092 0.009107  0.1134  0.2413  0.3302 

 

42 

 

 

 

Water Tank 

5.4432 0.258479  0.6906  0.3589   

 

 

 

 

 

Water Spray Boiler Subsystem

 

249

 

82.4644 0.388839  0.4826  1.0226  0.7879 

 

 

 

 

 

Electrical Heater-1 

0.2177  

 

 

 

 

51 

   

 

Electrical Heater-2 

0.0453  

 

 

 

 

33.5 

   

 

Electrical Heater-3 

0.0453  

 

 

 

 

11.5 

   

 

Hydraulic Bypass Relief Valve 

4.8399 0.004144  0.3357  0.1468  0.084 

57.5 

34.5 

 

 

 

Liquid Level Sensor 

0.1134 0.00005  0.0508  0.0177   

0.3 

 

 

 

 

Liquid Level Sensor Electronics 

0.068 0.000506 0.0571 0.0698 0.127 

 

 

   

 

Nitrogen Regulator 

0.6804 0.000644  0.0967  0.0873  0.0762 

 

 

 

 

 

Nitrogen Shutoff Valve 

0.6804 0.000558  0.1135  0.0787  0.0624 

 

50 

 

 

 

Nitrogen Storage Tank 

0.9072 0.016351   

0.1574   

 

 

 

 

 

Spray Boiler 

21.5097 0.0482 

0.6985  0.3959  0.2032 

 

 

 

 

 

Steam Dump Nozzle 

2.1772 0.01681  0.1905  0.1676   

 

51 

 

 

 

Water Supply Valve 

0.5307 0.000617  0.1097  0.0805  0.0698 

 

50 

 

 

 

Water Tank for Water Spray Boiler 

21.4099 0.111143  0.7409  0.4051  0.3708 

 

 

 

 

 

Table 7.3.14 

Space Shuttle Water Recovery and Management 

Assembly or Component 

Mass 
[kg] 

Volume 
[m³] 

Length 
[m] 

Width or 
Diameter 
[m] 

Height 
[m] 

Peak 
Power 
[W] 

Operational 
Average 
Power 
[W] 

MTBF 
[h] 

CMMTTR
[h] 

Life Limit 
[y] No. 

Potable Water Tank

 

248

 

3.3

 (1)

  

 

 

 

 

 

   

 

Wastewater Tank

 

250

 

3.3

 (1)

  

 

 

 

 

 

   

 

 
 

 

 

                                                           

247

 Function: 

heat 

removal 

248

 Function: 

water 

storage 

background image

REPORT DOCUMENTATION PAGE 

Form Approved 
OMB No. 0704-0188 

Public reporting burden for this collection of information is estimated to average 1 hour per response, including the time for reviewing instructions, searching existing data sources, gathering and 
maintaining the data needed, and completing and reviewing the collection of information.  Send comments regarding this burden estimate or any other aspect of this collection of information, including 
suggestions for reducing this burden, to Washington Headquarters Services, Directorate for Information Operations and Reports, 1215 Jefferson Davis Highway, Suite 1204, Arlington, VA 22202-4302, 
and to the Office of Management and Budget, Paperwork Reduction Project (0704-0188), Washington, DC  20503. 

1.  AGENCY USE ONLY 

(Leave Blank)

 

2.  REPORT DATE

3.  REPORT TYPE AND DATES COVERED 

      

August 2004 

NASA Contractor Report 

4.  TITLE AND SUBTITLE 

5.  FUNDING NUMBERS

Advanced Life Support Baeline Values and Assumptions Document 

           

6.  AUTHOR(S) 

     

Anthony J. Hamford 

      

7.  PERFORMING ORGANIZATION NAME(S) AND ADDRESS(ES) 

8.  PERFORMING ORGANIZATION 

REPORT NUMBERS

Lockheed Martin, Houston 
 

S-927 

9.  SPONSORING/MONITORING AGENCY NAME(S) AND ADDRESS(ES) 

10.   SPONSORING/MONITORING    

AGENCY REPORT NUMBER

National Aeronautics and Space Administration 
Washington, DC   20546-0001 
 

CR-2004-208941 

11.  SUPPLEMENTARY NOTES 

           

12a.  DISTRIBUTION/AVAILABILITY STATEMENT 

12b.  DISTRIBUTION CODE 

 
Unclassified/Unlimited 
Available from the NASA Center for AeroSpace Information (CASI) 
7121 Standard 
Hanover, MD  21076-1320 

 

Category: 54

           

13.  ABSTRACT 

(Maximum 200 words)

 

 
The Advanced Life Support (ALS) Baseline Values and Assumptions Document (BVAD) provides analysts and modelers as well as 
other ALS researchers with a common set of initial values and assumptions called a baseline. This baseline provides a common point 
of origin from which all systems integration, modeling, and analysis element studies will depart. The BVAD identifies quantities that 
define life support systems from an analysis and modeling perspective; provides a nominal or baseline value plus a range of possible 
or observed values for each physical quantity identified; and documents each entry with a description of the use, value selection 
rationale, and appropriate references of that quantity. Specifically, the BVAD allows the life support analysis community to carefully 
review and evaluate input study assumptions. Each study can benefit from the "best" available input values and assumptions by 
drawing on information collected by a group of researchers rather than an individual researcher. The BVAD process identifies 
quantities that are not well-defined by current information, allows researchers from multiple disciplines to effectively and quickly 
compare results from multiple studies, and allows these researchers to conduct a follow-on study to any previous work because 
assumptions from each study are clearly available and carefully recorded. 

14.  SUBJECT TERMS 

15.   NUMBER OF   

PAGES 

16.  PRICE CODE 

systems analysis; analogs; life support systems; human factors engineering; 
environmental engineering; aerospace environments; mathematical models 

158 

      

17.   SECURITY CLASSIFICATION  

OF REPORT 

18.  SECURITY CLASSIFICATION  

 OF THIS PAGE

19.  SECURITY CLASSIFICATION  

OF ABSTRACT

20.  LIMITATION OF ABSTRACT 

Unclassified Unclassified  Unlimited  Unlimited 

Standard Form 298 (Rev Feb 89) (MS Word Mar 97) 
Prescribed by ANSI Std. 239-18 
298-102 

NSN 7540-01-280-5500 

 

background image
background image