STRESZCZENIE: Pracownia Projektowania Opakowań i Marek na Wydziale Wzornictwa podjęła w semestrze wiosennym (luty – maj) 2019 próbę stworzenia opakowań na żywność dla grupy 6 astronautów podczas sześciomiesięcznej podróży na Marsa. Projekt udało się przeprowadzić, dzięki pełnej życzliwości, acz zupełnie nieformalnej współpracy z Łukasiewiczem – COBRO – Instytutem Badawczym Opakowań oraz Polską Agencją Kosmiczną.
ABSTRACT: In the spring semester (February-May) Design and Packaging Lab at the Faculty of Design has attempted to create food packaging for a group of 6 astronauts during a six-month trip to Mars. The project was carried out thanks to the full sympathetic informal cooperation with the Łukasiewicz – COBRO – Packaging Research Institute and the Polish Space Agency.
Z Nevady na Marsa
W tematykę podróży kosmicznych i życia w kosmosie wprowadził studentów dr Jędrzej Górski z Polskiej Agencji Kosmicznej, bywalec badawczych habitatów, między innymi na pustyni w Nevadzie w USA. Dzięki jego doświadczeniom i wiedzy uzyskali z pierwszej ręki bardzo istotne informacje, które pomogły postawić właściwe pytania oraz sformułować wiele projektowych problemów. Przybliżył on warunki i trudności związane z egzystencją w zamkniętym obszarze przez długi czas. Jedną z ważnych obserwacji uzyskanych od dr. Jędrzeja Górskiego była rola czynników psychologicznych i emocjonalnych. Zamknięty przez długi czas w niewielkiej przestrzeni zespół ludzi tęskni za prawdziwym domowym jedzeniem, drobiazgi urastają do problemów, a posiłki, ich jakość i forma zaczynają mieć ogromne znaczenie. W przypadku realnych astronautów, a nie mieszkańców habitatu na Ziemi, dochodzą także czynniki fizjologiczne wynikające z warunków zewnętrznych. Najważniejszym jest brak grawitacji. Astronauci nie mają apetytu, towarzyszy im uczucie sytości, mają także osłabiony zmysł smaku i zapachu. Wszystko to sprawia, że produkty spożywcze, by pełnić swoją funkcję w realiach konsumpcji pozaziemskiej, muszą być specjalnie pakowane i przygotowywane. Niezwykle ważnym aspektem staje się też waga samego opakowania, a więc koszty jego transportu. Dziś koszt wyniesienia 1 kg na orbitę wynosi około 10 000 USD. Z tych samych względów, z racji ograniczonych możliwości dotąd stosowanych rakiet nośnych, wielkim problemem jest woda, której astronauci starają się używać jak najmniej, i to w obiegu zamkniętym. Innym realnym problemem jest także metoda magazynowania pustych opakowań, które obecnie na stacji kosmicznej składowane są pod pokładem. Problem jest niebagatelny w małej rakiecie lecącej do celu przez pół roku. Powyższe obserwacje i zebrane informacje ukazują skalę trudności procesu projektowego, którego ostatecznym celem było stworzenie opakowań na żywność dla astronautów, udających się w podróż na Marsa. Założeniem zadania było opracowanie i zapakowanie diety dla 6 astronautów na okres ok. 6 miesięcy wraz z system ich magazynowania i projektem graficznym opakowań.
Analiza sytuacji. Pierwsze kroki
W początkowym okresie prace prowadzone były w dwóch czteroosobowych grupach. Obie grupy prowadziły research mający na celu poznanie problematyki i próby zaproponowania pierwszych koncepcji. Za punkt wyjścia posłużyła dostępna powszechnie wiedza zgromadzona przez NASA i laboratorium naukowe Spacelab. W pierwszym kroku studenci przeanalizowali kosmiczne menu oraz systemy opakowań wykorzystywane dotąd przez NASA od lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku. Zostały też skategoryzowane i pogrupowane rodzaje produktów spożywczych.
Trzy formy produktów spożywczych, które są podstawą dziennej diety astronautów to liofilizaty, gotowe posiłki poddane obróbce cieplnej oraz napoje w proszku (rys. 1.).
Każdy z tych produktów pakowany jest w inny sposób:
1. posiłki liofilizowane znajdują się w przezroczystym opakowaniu z dyfuzorem, służącym do hydratacji zawartości – po uwodnieniu posiłek staje się gotowy do spożycia;
2. poddane obróbce termicznej obiady znajdują się w zgrzanych z czterech stron brązowych saszetkach;
3. napoje w postaci sproszkowanej pakowane są w srebrne torebki z dyfuzorem służącym do hydratacji zawartości.
Konsumpcja posiłków przez astronautów odbywa się za pomocą sztućców, a pobieranie płynów, za pomocą doczepianej do dyfuzora słomki, po wcześniejszym uwodnieniu zawartości.
Zero waste w kosmosie?
Mając na uwadze problem magazynowania pustych opakowań pod pokładem, obydwa zespoły chciały, aby zaprojektowane opakowania na żywność były zgodne z ideą zero waste. Studenci ruszyli więc na poszukiwania odpowiednich biodegradowalnych materiałów. Początkowo idealny w tym względzie wydawał się pomysł opakowań jadalnych. By lepiej zrozumieć problem, na zajęcia w Pracowni Opakowań zaproszono jej absolwentkę Weronikę Banaś, projektantkę i entuzjastkę biomateriałów, stypendystkę Parsons Design School, która tworzy własne rozwiązania materiałowe, zarówno w sferze eksperymentalnej, jak i produkcyjnej. Dzięki jej doświadczeniom młodzi projektanci mogli poszerzyć swoją wiedzę w zakresie samodzielnej eksperymentalnej produkcji biomateriałów oraz ich stosowania w praktyce. Należało tylko znaleźć odpowiedni materiał (rys. 2.).
Zafascynowani materiałami biodegradowalnymi, rozpoczęli własne próby materiałowe w warunkach domowych. Do produkcji materiałów posłużyły im głównie: skrobia, kazeina, żelatyna oraz gliceryna. Pierwszą próbą stworzenia materiału jadalnego było połączenie skrobi i gliceryny. Powstały materiał wykazywał łatwość formowania, odporność na wodę, łatwość zgrzewania oraz możliwość tworzenia cienkich arkuszy. Jego wadą była zbyt wysoka twardość, co uniemożliwiało spożycie.
Pod tym względem interesujące okazały się dostępne na rynku mieszanki alginianu sodu z chlorkiem wapnia, opakowania wyhodowane z grzyba kombucha, tworzywo z ziemniaka oraz żelowe opakowania z połączenia agaru i wody. Niestety, po analizie próbek okazało się, że i te materiały nie wykazują odpowiednich właściwości fizykochemicznych by móc pełnić funkcję opakowania na żywność w warunkach pozaziemskich, głównie przez swoją kruchość a więc brak odpowiedniej wytrzymałości i podatność na wilgoć.
W kolejnym podejściu użyto papieru ryżowego, który wykazywał podobne, pożądane cechy jak mieszanka skrobi z gliceryną, niestety po 30 minutach stawał się zbyt kruchy, aby pełnić funkcję ochronną. Materiał z samej kazeiny mimo wodoodporności przez swoją twardość i brak możliwości formowania cienkich arkuszy także nie spełnił oczekiwań.
Ostatnim pomysłem stworzenia jadalnego materiału było połączenie spiruliny z żelatyną. Spirulina poza rolą kompozytu w materiale miała dostarczać odpowiednich substancji odżywczych. Jednakże i ten materiał nie spełnił oczekiwań poprzez brak możliwości formowania i wysoki stopień twardości.
Specyfika podróży kosmicznych stawia najwyższe wymogi opakowaniom na żywność. Muszą one być bardzo szczelnie zamknięte i cechować się wysoką barierowością w stosunku do czynników zewnętrznych. W trakcie trzymiesięcznych ćwiczeń akademickich, bez laboratorium i przygotowania biochemicznego studenci nie byli w stanie znaleźć trwałego i lekkiego a zarazem bezpiecznego i niepozostawiającego odpadów materiału spełniającego wyśrubowane wymagania dla opakowań w długiej podróży kosmicznej. Co nie znaczy, że taki materiał nie istnieje lub nie zostanie wynaleziony w najbliższych miesiącach. By rozwinąć i dokończyć projekt w czasie jednego semestru, obydwa zespoły postanowiły, w uzgodnieniu z prowadzącym, zawiesić kwestię materiałową i zająć się formą, kształtem oraz sposobem konsumpcji.
Zintegrowana forma opakowania
Jednym z pierwszych pomysłów, jakie zaproponowali studenci, było sztaplowane pudełko wykonane z papieru. Zainspirowani technologią papierowych skorup, młodzi projektanci Wydziału Wzornictwa chcieli stworzyć kosmiczną dietę pudełkową, która zwiększy poczucie domowości w kosmosie. Poczucie domowości nie jest jeszcze ani zdefiniowane ani zmierzone ale z pewnością myśl, że każdy posiłek będzie oddzielony przegródką, pożywienie wewnątrz pudełka zabezpieczone jadalną folią lecytynową a forma opakowania zamykać się będzie w jednym, otwieranym od góry pudełku, dawała na to jakąś nadzieję (rys. 3.).
Kolejne pomysły inspirowane były już istniejącymi opakowaniami NASA. Jednym z nich była harmonijka – szeregowo połączone opakowanie z oddzielnymi przegrodami, każda z innym posiłkiem w środku. Po uwodnieniu zawartości, pokarm przyswajany byłby za pośrednictwem słomek przytwierdzanych do dyfuzorów, a po zjedzeniu posiłku opakowanie można złożyć, aby zajmowało mniej miejsca. W ten sposób skonsolidowane opakowanie wyeliminowałoby pojedyncze opakowania, których liczba dla mieszkańców stacji jest bardzo problematyczna.
Pomysł ten został w dalszym etapie rozwinięty i przyjął formę zaokrągloną. Taka forma jest znacznie bardziej ergonomiczna, a znajdujący się na środku rzep umożliwiłby sztaplowanie opakowań. Ostatecznie, zespoły poddały ewaluacji swoje pomysły i odkryły w nich bardzo dużo niewiadomych, głównie w kwestii materiałowej. Zaczęły pojawiać się wątpliwości, czy uda się stworzyć opakowania lepsze od tych, jakie przez lata opracowało NASA.
Poprawić NASA? Human focused design
Stawiając w centrum procesu projektowego użytkownika i jego doświadczenia, zespół młodych projektantów Wydziału Wzornictwa dostrzegł jednak w istniejących opakowaniach NASA kilka wartych zastanowienia problemów. W dotychczas stosowanych rozwiązaniach (rys. 5.) w celu zjedzenia posiłku w pierwszej kolejności należy nożyczkami rozciąć opakowanie. Działanie to niesie ze sobą kilka poważnych niedogodności. Pierwszą z nich jest konieczność posiadania narzędzia do otwierania – w tym przypadku nożyczek. Wyobraźmy sobie sytuację ekstremalną, gdy ostatnia paczka żywności może uratować wygłodniałej załodze życie lub samotny astronauta z jedną sprawną ręką ma coś przekąsić ale zabrakło nożyczek lub są w innej części statku.
Obecne opakowania nie posiadają także żadnego znacznika sugerującego sposób bądź miejsce otwarcia.
Jak pokazuje materiał wideo NASA [1] astronauci uczą się otwierać i korzystać z opakowań na zasadzie prób i błędów. Ponadto po otwarciu opakowania pozostaje wiele jego elementów, które przeszkadzają w spożywaniu posiłku, a innym razem te elementy opakowania są odcinane, co ma swoje reperkusje w postaci produkowania dodatkowych śmieci.
Zdefiniowawszy w ten sposób problemy i cały, pełen niewygód sposób korzystania przez astronautów z opakowań, studenci zaczęli szukać rozwiązań. Ostatecznie zaproponowali ulepszenie obecnych opakowań o łatwy, intuicyjny, niewymagający użycia żadnych narzędzi sposób otwierania. Według tej koncepcji na jednej z krawędzi opakowanie zostałoby wzbogacone o specjalne zamknięcie. Aby otworzyć opakowanie, astronauci będą mogli dwoma palcami złapać za dwie przeciwległe ścianki opakowania i rozciągnąć je w kierunku zewnętrznym.
Cały proces ma być tak prosty jak otwarcie paczki chipsów – mówią studenci. Wraz z wyklarowaną koncepcją opakowania i sposobu jego otwarcia pojawiły się trudności związane z zastosowaniem odpowiedniej technologii do proponowanego rozwiązania. Powróciły pytania: z jakiego materiału wykonać opakowanie, jaką technologię użyć do systemu otwarcia opakowania, czy proponowane działania nie wpłyną negatywnie na okres przydatności pożywienia?
Konsultacje materiałowe w Łukasiewiczu – COBRO – Instytucie Badawczym Opakowań
By móc odpowiedzieć na te pytania, prowadzący pracownię dr Maciej Konopka postanowił skonsultować temat w Łukasiewiczu – COBRO – Instytucie Badawczym Opakowań. Dzięki uprzejmości prof. Hanny Żakowskiej studenci mogli przedstawić swoje pomysły i zadać nurtujące pytania. Według ekspertów z COBRO w projekcie koniecznością stała się rezygnacja z biomateriałów, których właściwości fizykochemiczne dziś wciąż jeszcze nie gwarantują pożywieniu wysokiej ochrony. Uzyskanie wymaganej trwałości i ochrony jest możliwe tylko dzięki zastosowaniu laminatu z polietylenu. Polietylen jest najbezpieczniejszy dla żywności i bardzo dobrze zgrzewalny. Wykonane z laminatu opakowania muszą posiadać bardzo trwałe zgrzewy w miejscu łączenia materiału (szerokość około 1,5 cm). W skład jednej z warstw laminatu wchodzi aluminium, dające stuprocentową barierowość. Nawet PLA (w pełni biodegradowalny polimer) nie ma takich właściwości barierowych jak polietylen czy aluminium.
Efektem konsultacji w Łukasiewiczu – COBRO było zatem ostateczne porzucenie pierwotnego założenia idei zero waste na rzecz trwałości pożywienia. Koniecznym wnioskiem było stwierdzenie, że ekologia w kosmosie jest problemem drugorzędnym, a dalece ważniejszą kwestią jest bezpieczeństwo żywności znajdującej się w opakowaniach. Jeśli chcemy być ekologiczni, możemy próbować odwrócić proces i użyć ekologicznych materiałów do produkcji opakowań (np. green polimery) lub wykorzystać recykling chemiczny (np. pirolizę) do ich likwidacji. Dotychczasowe prace obydwu grup studentów można było objąć jednym wspólnym mianownikiem, co zaowocowało połączeniem zespołów. W dalszym etapie aż do końca projekt był realizowany całą pracownią, w jednej ośmioosobowej grupie.
Istota innowacji tkwi w szczegółach. System Easy-peel
Dzięki wielkiemu zaangażowaniu Bogusława Zdanowskiego, specjalisty z Łukasiewicza – COBRO, opracowana została technologia umożliwiająca wykonanie pomysłu opakowania z łatwym otwarciem. Szczelność opakowania z laminatu tworzy się poprzez nałożenie jednej warstwy materiału na drugą i zgrzanie ich z każdej ze stron. Problemem technicznym do pokonania była siła zgrzewów, niepozwalająca na ręczne otwarcie opakowania. Opakowanie z laminatu, poza cechami samego materiału, swoje właściwości ochronne zawdzięcza właśnie mocnym połączeniom w postaci zgrzewów na krawędziach. Rozerwanie tych połączeń wymaga siły przekraczającej możliwości fizyczne przeciętnego człowieka. Nie było także możliwe zmniejszenie szerokości zgrzewów bez wpływu na trwałość znajdującego się w opakowaniu pożywienia. Kwestią do rozwiązania był również kierunek, w jakim materiał będzie się rozchodził po rozerwaniu połączenia, gdyż niewskazana była tu droga losowa, po której laminat będzie się rozrywać. Cały system otwarcia powinien być zunifikowany i łatwy w obsłudze.
Biorąc pod uwagę powyższe uwarunkowania projekt opakowania na żywność dla astronautów mógł zostać zrealizowany wyłącznie z użyciem technologii Easy-peel. Dzięki niej możliwe było wykonanie na jednej z krawędzi opakowania zgrzewu, do którego otwarcia wymagana jest zdecydowanie mniejsza siła. Tym samym Easy-peel daje szansę łatwego rozwarstwienia dwóch zgrzanych warstw laminatu, co umożliwia stworzenie opakowania zgodnego z założeniem łatwego otwarcia, przy równoczesnej wysokiej ochronie produktów spożywczych znajdujących się wewnątrz. Gotowe opakowanie jest hybrydą dwóch połączonych laminatów, z czego tylko jeden z nich zawiera Easy-peel od strony otwarcia. Daje to też okazję wyregulowania wysokości Easy-peelu, dzięki czemu można precyzyjnie określić koniec drogi otwarcia. Schemat opakowania wykonanego tą technologią obrazuje rys. 6.
Danie dnia, czyli różne aspekty diety w kosmosie
Jak zostało już powiedziane, astronautom towarzyszą uczycie sytości, brak apetytu, a także osłabione zmysły smaku i zapachu. Jedzenie traktują jak zło konieczne. Mając na uwadze wspomniane na wstępie aspekty psychologiczne podróży kosmicznej i warunki odosobnienia grupy astronautów, a także w celu urozmaicenia menu i zintensyfikowania ich doznań smakowych, zespół studentów PPOiM zaproponował przykładowo cztery różne diety: polską, włoską, meksykańską i japońską.
Dzięki określonemu przez National Research Council współczynnikowi BEE udało się obliczyć średnie dzienne zapotrzebowanie energetyczne dla astronautów, które wynosi odpowiednio 1395 kcal dla kobiety i 1730,5 kcal dla mężczyzny. Stało się to podstawą do skonstruowania diety składającej się z shake’a, dania głównego, dwóch przekąsek, żelka spirulinowego oraz trzech napojów. Jest ona traktowana jako dzienny wymóg żywieniowy astronauty. Spirulina została dodana do diety jako super food, jej 3 g zawierają tyle minerałów oraz witamin co 3 kg warzyw i owoców, a ilość białka jest porównywalna z jego zawartością w jednej szklance mleka.
Aby pomóc astronautom w dostarczaniu organizmowi właściwej porcji kalorii, opakowania z odpowiednimi posiłkami opracowanej diety zostały połączone w jedno zbiorcze opakowanie jako jeden zestaw dzienny. Opakowania każdej z potraw połączone są ze sobą krawędziami. Dzięki perforacji łatwo można je będzie oderwać. Odrywanie kolejnych posiłków jest też formą odznaczania, a astronauci dzięki temu będą wiedzieć, ile jeszcze zostało im do spożycia, aby zachować zdrowie i dobre samopoczucie. Poszczególne zapakowane potrawy ułożono w taki sposób aby do każdego dania był dostęp. Całość zestawu ma zawsze wymiary 31x 36 cm, zaś wielkość każdego z poszczególnych opakowań obliczono na podstawie objętości pożywienia, które zawiera. Dolne partie opakowań zostały zaokrąglone w celu łatwiejszego pobierania pokarmu.
W zależności od rodzaju posiłku, opakowania posiadają dyfuzory służące do hydratacji liofilizatów i napojów. Jako że każdy z astronautów wybiera według uznania rodzaj i ilość konkretnej diety przed podróżą kosmiczną, kolory dyfuzorów są jednocześnie oznaczeniem do kogo należy wyznaczony zestaw. Astronauta zjada więc zawsze zestaw posiłków w jednym, przypisanym do niego kolorze dyfuzorów
Projekt graficzny opakowań
Astronautom w podróży kosmicznej, poza brakiem apetytu, doskwiera otaczające ich środowisko sztucznych materiałów, sprzętu komputerowego, kabli oraz przewodów. Ta specyficzna, przytłaczająca przestrzeń pełna jest wizualnej nudy i bałaganu. Warstwa estetyczna projektu miała więc za zadanie nie tylko pobudzić zmysły podróżujących w kosmosie, ale także wprowadzić w życie załogi, energię i poczucie domowości, nie wzbudzając jednakże tęsknoty za domem. Stąd świadoma i pełna rezygnacja z realizmu pejzaży lub smakowitych ponad miarę obrazów jedzenia. W pracowni zostało wykonanych 9 projektów graficznych opakowania dla wcześniej opracowanych diet: polskiej, włoskiej, meksykańskiej i japońskiej (rys. 8.).
System magazynowania
Ważnym problemem, z jakim należało się zmierzyć po opracowaniu wszystkich powyższych zagadnień, była kwestia magazynowania opakowań. Jako rozwiązanie studenci zaproponowali system poziomych szyn, w które zostają wsunięte opakowania. Szerokość szyn dopasowana jest do dłuższej krawędzi zestawu posiłków. Szyny ułożone są jedna pod drugą w osi pionowej. Zaletą takiego rozwiązania jest łatwość w wyborze odpowiedniej diety – mamy pełną dowolność i wybieramy taki zestaw, na jaki mamy danego dnia ochotę. Rozwiązanie te daje także możliwość łatwego wyjmowania oraz uzupełniania opakowań. W momencie opróżnienia systemu, uzupełnia się łatwo braki z magazynu. Każdy z astronautów posiadałby swój własny system, w którym trzyma zestawy posiłków (rys. 9.).
Podsumowanie
Efektem końcowym trzymiesięcznych prac jest głęboko przemyślane, bardzo lekkie, przyjazne w użyciu, a zarazem odporne i trwałe bo wykonane z laminatu opakowanie. Jedno opakowanie to jeden dzień diety dla jednego astronauty. Dzięki współpracy Łukasiewicza
– COBRO studentom udało się wykonać prototyp opakowania z założeniem łatwego, intuicyjnego otwarcia przy równoczesnym zachowaniu pełnej ochrony dla znajdującej się w opakowaniu żywności. W efekcie do otwarcia opakowania nie potrzeba żadnych narzędzi, a podczas jedzenia nie przeszkadzają nam jego odcięte elementy. Prototyp i wizualizacje widoczne na rys. 10. i 11. przybliżają gotowe rozwiązanie.
Zważywszy na tempo zmian w tej dziedzinie można przypuszczać że w najbliższych latach lub miesiącach powstaną nowe materiały zachowujące właściwości laminatu, całkowicie biodegradowalne, jednakże na dzień dzisiejszy konieczne było zrezygnowanie z idei zero waste na korzyść niskiej wagi, ochrony i trwałości żywności. Projekt opakowania wykonany przez studentów jest więc realną, gotową do zweryfikowania odpowiedzią na problemy żywieniowe w przestrzeni kosmicznej.
Źródła
[1] strona internetowa https://www.youtube.com/watch?v=6vVle67Tfjc&t=309s; dostęp: lipiec 2019.
Projekt został zrealizowany przez zespół w składzie: Kinga Bednarska, Kamila Cembor, Karolina Mikołajczyk, Klaudia Murgrabia, Koryna Sroczyńska, Roksana Licznerska, Weronika Matysiak, Piotr Śwituła pod opieką dr Macieja Konopki w Pracowni Opakowań i Marek na Wydziale Wzornictwa ASP w Warszawie przy współpracy z Łukasiewiczem – COBRO i Polską Agencją Kosmiczną.
Piotr Śwituła, Maciej Konopka,
Wydział Wzornictwa Akademii Sztuk Pięknych w Warszawie
Alfa-Print Sp. z o.o.
ul. Świętokrzyska 14A
00-050 Warszawa
