Откуда берется кислород на мкс
Перейти к содержимому

Откуда берется кислород на мкс

  • автор:

Очистка и регенерация воздуха в космосе

В самых фантастических представлениях человек сможет благополучно жить далеко от своей планеты. Но для этого ему нужно быть независимым от поставок всего самого необходимого с Земли, в том числе и воздуха. Два важнейших процесса на Международной космической станции (МКС) постоянно действуют для увеличения срока жизни космонавтов на орбите — это очистка и восстановление воздушной смеси. А качественное улучшение оборудования для этого приближают нас к автономности в космосе. Сегодня я, ведущий экскурсовод Центра «Космонавтика и авиация» Татьяна Ревунова, расскажу вам об этом.

Дом на орбите, миссия МКС-67

Космические станции — это дома на орбите, где космонавты работают в течение длительных периодов времени. Одна из основных проблем, с которыми сталкиваются на станциях, — это необходимость постоянно обновлять воздух.

Природного воздуха на орбитальной станции (ОС) нет, поэтому его привозят с Земли. Как известно, воздушная смесь, к которой привык наш организм, содержит около 21% кислорода, 78% азота и 1% других газов. К тому же человек выдыхает углекислый газ, который может накапливаться на станции, если не будет удален своевременно. Кроме того, на станциях может присутствовать множество других вредных веществ, таких как аммиак, которые могут накапливаться.

Системы регенерации воздуха на космических станциях работают по принципу удаления углекислого газа и восполнения кислорода. Это происходит с помощью особых систем фильтрации воздуха. Процесс может быть описан в следующих шагах:

  • Космонавты выдыхают углекислый газ.
  • Система фильтрации собирает углекислый газ и перерабатывает его в кислород.
  • Система фильтрации удаляет другие вредные вещества из воздуха.
  • Очищенный воздух возвращается на станцию.

Сама идея регенерации воздуха очень проста — собрать выдыхаемый человеком углекислый газ вместе с другими вредными продуктами и преобразовать его в кислород и другие полезные газы, чтобы снова обеспечить экипаж атмосферой для дыхания. Вот как это работает на космических станциях:

  • Первым шагом в процессе регенерации является сбор выдыхаемого воздуха. Для этого используется система вентиляции, которая постоянно перемещает воздух по станции. Эта система собирает выдыхаемый воздух и направляет его в специальный узел.
  • На следующем этапе выдыхаемый воздух проходит через фильтры. Они удаляют из воздуха вредные продукты и отходы, такие как углекислый газ, водород и азот. После работы фильтров получается воздух, состоящий преимущественно из кислорода и воды.
  • Следующим шагом в процессе регенерации является разложение воды на кислород и водород. Эта задача выполняется при помощи специальных электролизеров, которые используют электричество для расщепления молекул воды на кислород и водород.
  • И наконец, полученный кислород направляется обратно в систему вентиляции, чтобы снова обеспечить экипаж атмосферой для дыхания экипажа.

В состав системы обеспечения жизнедеятельности (СОЖ) МКС включена подсистема обеспечения газового состава (СОГС). В нее входят: средства контроля и регулирования атмосферного давления, средства выравнивания давления, аппаратура разгерметизации и наддува переходного отсека (ПхО), газоаналитическая аппаратура, блок очистки атмосферы от микропримесей (БМП), система удаления углекислого газа из атмосферы «Воздух», средства очистки атмосферы.

Система очистки атмосферы от микропримесей (БМП)

Составной частью СОГС являются средства кислородообеспечения, включающие твердотопливные источники кислорода (ТИК) и систему получения кислорода из воды «Электрон-ВМ».

Космонавты с блоками «Электрон-ВМ»

На МКС цеолитовые поглотители системы «Воздух» захватывают углекислый газ (CO2) и высвобождают его в забортное пространство. Теряемый в составе CO2 кислород восполняется за счет электролиза воды (разложения ее на водород и кислород). Этим на МКС занимается система «Электрон», расходующая 1 кг воды на человека в сутки. Водород сейчас стравливают за борт, но в перспективе он поможет превращать CO2 в ценную воду и выбрасываемый метан (CH4). И конечно, на всякий случай на борту есть кислородные шашки и баллоны.

Принцип работы следующей части системы СОГС состоит в адсорбции (поглощении) углекислого газа с последующей вакуумной регенерацией поглотительных патронов.

Для обеспечения микробиологической безопасности и снижения уровня микробной обсемененности (грибки, аллергены и вирусы) в космосе жизненно необходимо круглосуточно применять оборудование обеззараживания воздуха.

Схема действия обеззараживания воздуха «Поток»

На пилотируемых космических объектах действуют регенерационные системы жизнеобеспечения, обеспечивая длительное пребывание космонавтов на МКС и во время полета на корабле «Союз».

А на экскурсиях Центра «Космонавтика и авиация» вы можете еще больше узнать об условиях жизни космонавтов на орбитальных станциях!

Как добывают кислород в космосе

Прямо сейчас, на высоте 408 километров над Землей, работает Международная космическая станция. Внутри нее, на протяжении более двадцати лет, трудятся группы астронавтов из самых разных стран, регулярно сменяя друг друга. Все они постоянно нуждаются в трех основных для любой жизни вещах: воде, еде и воздухе. С пищей все понятно — она поставляется в грузовых кораблях, и экипаж может есть рисовую кашу, суп из шампиньонов, творог и множество других вкусных и питательных продуктов. А как в космосе можно добыть кислород и воду, если учесть, что их в грузовых кораблях почти не доставляют? Эти два жизненно важных элемента тесно взаимосвязаны и производятся при помощи специального оборудования. Сейчас мы вкратце разберемся, как все это работает.

Как добывают кислород в космосе. У космонавтов нет проблем с кислородом в космосе — все предусмотрено. Фото.

У космонавтов нет проблем с кислородом в космосе — все предусмотрено

Откуда берется кислород на МКС

За выработку кислорода на космической станции отвечает российская система «Электрон-ВМ», которая была разработана «НИИхиммаш». Она работает на МКС с самого первого дня ее существования и вырабатывает кислород за счет электролиза воды. С целом, система работает очень просто: в специальную емкость поступает вода и через нее пропускается электрический ток, в результате чего жидкость распадается на молекулы кислорода и водорода.

Откуда берется кислород на МКС. Система «Электрон-ВМ». Фото.

За один час работы, система может производить до 160 литров кислорода и 320 литров водорода. Чтобы обеспечить одного человека суточной дозой кислорода, требуется около 1 литра воды. По качеству получаемый кислород соответствует всем требованиям на медицинский кислород, поэтому безопасен для людей и остается на борту. А водород, по крайней мере сегодня, выпускается в открытый космос, но в будущем из него надеются тоже извлекать что-нибудь полезное.

Откуда берется кислород на МКС. При производстве кислорода из воды, водород оказывается за бортом МКС. Фото.

При производстве кислорода из воды, водород оказывается за бортом МКС

Первая система генерации воздуха «Электрон-ВМ» находится в служебном модуле «Звезда». В июле на МКС заработала вторая система, которая располагается в новом модуле «Наука». Считается, что обе системы полностью взаимозаменяемы и могут обеспечивать экипаж станции воздухом во время технического обслуживания одной из них.

Откуда берется кислород на МКС. Конструкция МКС. Фото.

Система «Электрон-ВМ» действительно иногда ломается. Например, такая ситуация произошла в 2020 году, но поломку удалось быстро устранить. В экстренных случаях, экипаж космической станции может получить кислород из баллонов — все уже заранее предусмотрено.

Откуда берется вода на МКС

Вода доставляется на МКС на грузовых кораблях, но происходит это очень редко. На станции имеется система, которая позволяет максимально экономить воду за счет ее многоразовой переработки. Когда члены экипажа моются, использованная вода не уходит в пустоту — она накапливается в специальном отсеке и тщательно очищается, чтобы ее можно было использовать повторно, даже для питья.

Как добывают кислород в космосе. Откуда берется вода на МКС. Фото.

Как космонавты принимают душ на МКС

Более того, существует аппаратура, которая способна выделить воду из отходов жизнедеятельности, то есть мочу можно очистить и восполнить запасы воды. По расчетам, каждый член экипажа МКС ежедневно выделяет до 2,5 литров жидкости.

Откуда берется вода на МКС. На МКС несколько туалетов. Так выглядит санузел в модуле «Спокойствие». Фото.

На МКС несколько туалетов. Так выглядит санузел в модуле «Спокойствие»

Наконец, некоторое количество воды можно извлечь из воздуха, потому что воздух на МКС тоже имеет некоторый уровень влажности.

Всего для полноценного функционирования МКС, требуется около 9 литров воды в год. Примерно 93% использованной воды используется повторно, поэтому доставлять воду на станцию нужно не так часто, что существенно экономит деньги. Получаемая вода, в том числе, используется для получения кислорода упомянутым выше способом.

Как добывают кислород на Марсе

Стоит отметить, что в будущем люди хотят полететь на Луну и Марс, и там тоже нужно каким-то образом добывать кислород — транспортировка баллонов в такие дали будет стоить немыслимых денег. Разработка технологий для добычи кислорода на других планетах уже активно ведется. В 2021 году удачный эксперимент в этом направлении сделал марсоход Perseverance.

Как добывают кислород на Марсе. Марсоход Perseverance. Фото.

Он использовал аппарат MOXIE, который похож на маленькую коробочку и превращает углекислый газ в кислород. Опытным путем было доказано, что инструмент способен производить 5,4 грамма кислорода в час. Это небольшой, но на данный момент очень хороший результат. Подробнее о работе MOXIE вы можете почитать в этом материале.

Хотите расширить свой кругозор? Читайте другие наши материалы, подписавшись на Дзен-канал.

А если вы хотите пообщаться на тему науки и технологий, но вам не с кем, вступайте в наш Telegram-чат — там вы обязательно найдете интересных собеседников.

Откуда вода и кислород на МКС? Как НИИхиммаш создает системы для жизни в космосе

МКС. JSC/ NASA

В недалеком будущем человечество научится организовывать дальние космические экспедиции, и пилотируемый полет на Марс перестанет казаться фантастикой. Однако для освоения дальних планет требуется создание комфортной автономной среды, позволяющей длительное время обходиться без пополнения запасов извне. В России созданием систем жизнеобеспечения космических летательных аппаратов по заказам Ракетно-космической корпорации "Энергия" им. С.П. Королева занимается уникальное научное учреждение — акционерное общество "Научно-исследовательский и конструкторский институт химического машиностроения" (АО "НИИхиммаш").

Специалисты института не любят общаться с прессой, но для ТАСС сделали исключение.

От минометного завода до НИИ

Институт ведет историю с 1943 года и был основан на базе небольшого завода, занимавшегося минометным вооружением. Отцом-основателем АО "НИИхииммаш" является знаменитый советский академик Николай Антонович Доллежаль — создатель первой в истории человечества атомной электростанции (Обнинский реактор "Атом мирный — 1"). Вскоре атомная отрасль начала развиваться огромными темпами, и было принято решение о создании отдельного самостоятельного Научно-исследовательского и конструкторского института энерготехники. АО "НИИхиммаш" же продолжило заниматься, как говорят сами ученые, "очень хитрыми химическими процессами".

В середине 60-х годов, когда СССР уже активно осваивал космическое пространство, ученые начали искать способы увеличить продолжительность пребывания человека в космосе. Полет первого в мире космонавта Юрия Гагарина в 1961 году от старта до посадки длился всего 108 минут. "Николай Михайлович Самсонов (профессор, доктор технических наук, бывший генеральный директор института — прим. ТАСС) единственный сказал, что АО "НИИхиммаш" возьмется за это дело", — рассказывает генеральный директор института Александр Сергеевич Цыганков. Под руководством Николая Михайловича было образовано специальное опытно-конструкторское бюро (в настоящее время отделение №10), которое занимается разработкой и изготовлением космических систем жизнеобеспечения. В советские годы попасть в это подразделение простому смертному было невозможно — деятельность отделения была засекречена.

В 90-е годы, как и множество других постсоветских научных учреждений, "НИИхиммаш" переживал тяжелые времена. "Слава богу, на жизненном пути института встретились люди, не без участия которых организация осталась на плаву. Одним из них является бывший главный конструктор — начальник отделения — Алексей Анатольевич Кочетков, который организовал опытное производство отделения в непростые для страны 1990–2000-е годы непосредственно на территории института. Очень многие направления деятельности предприятия исчезли, а космическое осталось", — говорит Александр Сергеевич.

Борьба за каждый грамм

Одна из главных особенностей, которую необходимо учитывать при разработке космических систем жизнеобеспечения, — отсутствие на космическом объекте силы притяжения — гравитации. "Обычная емкость на Земле работает без проблем: вода вытекает из нее под действием сил тяжести. Если простую бытовую емкость отгрузить на космическую станцию, она просто не будет работать — жидкость из емкости самопроизвольно не вытечет, а если ее и удастся извлечь, то она превратится в каплю за счет сил поверхностного натяжения", — говорит Александр Сергеевич.

Аналитическая лаборатория, где производится проверка проб воды из систем, эксплуатирующихся на МКС. Екатерина Адамова/ ТАСС

Аналитическая лаборатория, где производится проверка проб воды из систем, эксплуатирующихся на МКС
© Екатерина Адамова/ ТАСС

Еще одна серьезная проблема разработки систем связана с отсутствием полноценной проверки работоспособности оборудования на Земле. В советские годы многие изделия АО "НИИхиммаш" проходили испытания при помощи летающих лабораторий. В условиях кратковременной невесомости за счет свободного падения грузовых самолетов проверялись конструкторские решения, применяемые в космическом оборудовании. Однако в последние десятилетия практика использования летающих лабораторий была утрачена.

Отдельной задачей стоит доставка оборудования космонавтам на МКС. В России существует два типа доставки грузов в космос: при помощи так называемых "грузовиков", беспилотных космических транспортных кораблей серии "Прогресс", а также пилотируемых кораблей "Союз". "Доставка груза на МКС на транспортном грузовом корабле стоит от 1 до 1,5 млн рублей за килограмм полезного груза. Доставка пилотируемым кораблем значительно дороже", — говорит генеральный директор предприятия и напоминает про серьезные премии советских лет за каждый сэкономленный грамм при разработке аппаратов.

В итоге перед специалистами АО "НИИхиммаш" стоит целый ряд на первый взгляд, казалось бы, невыполнимых взаимоисключающих условий. Во-первых, космическое оборудование должно быть максимально легким, но при этом достаточно жестким и прочным, чтобы обеспечить стойкость к перегрузкам при взлете и выводе на орбиту. Во-вторых, предельно надежным — доставка в космос запасных частей — весьма дорогое удовольствие. А в-третьих, ремонтопригодным и простым, чтобы в случае неожиданной поломки его могли починить космонавты. "Все эти требования нашим специалистам необходимо обеспечивать и их выполнение подтверждать на испытаниях", — говорит Александр Сергеевич.

"Ученые АО "НИИхиммаш" постоянно борются за компактность, энергоэффективность и снижение массы оборудования. Несмотря на то что маленькая гидравлическая схема аппарата может быть графически представлена буквально на листе А4, данное изделие может быть ключевым и самым ответственным звеном в системе. Соответственно, такие нюансы отражаются в том числе и на особенностях производства", — рассказывает главный конструктор АО "НИИхиммаш" Сергей Николаевич Рукавицин.

Таким образом специалисты указывают на еще одну важнейшую особенность работы АО "НИИхиммаш": производство института является опытным, единичным. "Да, у нас есть изделия, которые из года в год с определенной периодичностью доставляются на борт, но, несмотря на этот факт, производство остается опытным, и законы серийного производства по большей части неприемлемы", — рассказывает Сергей Николаевич. В качестве примера собеседник приводит деталь находящейся на борту МКС системы, изготовленную из 30-килограммовой титановой заготовки. Готовая деталь весит порядка 500 г, весь остальной материал был переработан в стружку. На первый взгляд покажется, что экономически выгоднее изготовить деталь методом литья или штамповки, но на деле все иначе.

"Изготовление штампа обойдется в разы дороже, чем изготовление детали методом механообработки в рамках опытного производства", — подчеркивает специалист.

Титан и алюминий — основные металлические материалы, которые используются при изготовлении систем жизнедеятельности для космоса. Список материалов, разрешенных к применению, разработан и утвержден Институтом медико-биологических проблем (ИМБП) РАН. Применение других материалов строго контролируется специальными техническими службами в связи с необходимостью обеспечить безопасную атмосферу на станции. "На МКС люди находятся постоянно в замкнутом пространстве, и как себя поведет пластмасса через пару месяцев или год, какие вещества начнет выделять, никто не знает. Старые советские материалы используются вовсе не потому, что мы не можем придумать что-то новое, а в связи с тем, что применяемые много лет материалы не выделяют ничего, что могло бы навредить здоровью человека", — говорит Александр Сергеевич.

Вода и кислород на борту МКС

Специалистами АО "НИИхиммаш" были созданы надежные регенерационные системы жизнеобеспечения, успешно применявшиеся на космических станциях "Салют", "Мир", а в настоящее время — на МКС. Системы не только обеспечивают возможность длительного пребывания космонавтов на станции, ряд новейших экспериментальных разработок института в будущем способен сэкономить сотни миллионов рублей на обеспечении жизни российских космонавтов на орбите.

На сегодняшний день рекорд по длительности непрерывного нахождения на борту Международной космической станции составляет уже больше года. Абсолютный мировой рекорд по непрерывному пребыванию на МКС принадлежит российскому космонавту Петру Дуброву и астронавту Марку Ванде Хаю, которые совместно провели на орбите 355 суток за один непрерывный полет. В настоящее время вопрос обеспечения космонавтов в процессе полета оборудованием, едой, водой и всем прочим на МКС хоть и дорогостоящий, но вполне решаемый. Другое дело — будущие дальние космические экспедиции на Луну и Марс, успех которых напрямую зависит от разработки перспективных, полностью автономных космических систем жизнеобеспечения. Полет до той же Красной планеты в зависимости от траектории займет от 250 до 300 суток.

На данный момент на космической станции применяются системы жизнеобеспечения, позволяющие обеспечить частичную замкнутость цикла и вернуть в оборот воду и кислород для дыхания за счет физико-химических процессов. Различные исполнения этих систем успешно функционировали на станциях "Салют", "Мир", а сейчас в модернизированном виде функционируют и на МКС.

Одной из самых стабильных систем разработки АО "НИИхиммаш" является система регенерация воды из конденсата атмосферной влаги (СРВ-К2М), первые применения которой были в составе орбитальной космической станции "Салют-4". Система обеспечивает более 50% возврата воды в цикл потребления. Заслуженно данная система считается лучшей в мире в части удельных затрат массы оборудования на 1 кг получаемой воды и среднесуточных затрат электроэнергии на одного космонавта.

Важнейшая разработка института — система электролизного получения кислорода из воды "Электрон-ВМ". В 2022 году к ней была добавлена дублирующая система, установленная на борту многоцелевого лабораторного модуля "Наука", который входит в российский сегмент МКС. Обе системы полностью взаимозаменяемы, что обеспечивает бесперебойное снабжение экипажа кислородом в случае, если одной из систем потребуется техническое обслуживание или же она выйдет из строя.

На пути к замкнутой системе. Как МКС перерабатывает воздух и воду

Когда мы собираемся на пикник за город, то обычно берем с собой воду и еду в количестве суточной нормы на одного человека (с небольшим запасом), умноженное на число участников мероприятия. В случае многодневного похода объем запасов еще нужно умножить на продолжительность «экспедиции», но в отношении воды это не всегда так: чаще всего туристы надеются найти какие-нибудь ее местные источники — колодцы, реки, озера. Также не помешает и набор медикаментов для скорой помощи при ранениях, ожогах и отравлениях. И даже если поход организуется летом, не лишней будет теплая одежда.

Усложним задание: мы отправляемся в горы, где давление воздуха уже недостаточно для нормального дыхания при физических нагрузках, а значит, кислород тоже нужно брать с собой в баллонах в сжатом виде. Воду там можно добыть из ледников, но для этого необходимо взять топливо, горелку и соответствующую посуду. К еде и теплой одежде добавляется альпинистское снаряжение. Наверно, все видели фотографии и кинокадры с огромными рюкзаками, которые должны тянуть альпинисты. А теперь представьте, что все это снаряжение вместе с запасами пищи и кислорода минимум на полгода нужно поднять на высоту почти 400 км и разогнать до первой космической скорости — и вы поймете, почему проектировщики Международной космической станции заложили в ее конструкцию возможность повторного использования максимально возможного количества ресурсов.

«Герметичная» жизнь

Без еды человек может прожить примерно месяц, без воды — максимум неделю, без воздуха — считанные минуты. Главная жизненно необходимая составляющая воздуха — химический элемент кислород в виде двухатомных молекул O₂. Его там, на первый взгляд, не так уж и много — всего 21%. В истории нашей планеты были эпохи, когда концентрация кислорода в атмосфере превышала 25%. Хотя на самом деле главным показателем здесь является не концентрация, а так называемое парциальное давление. Если оно снижается до 10 кПа, то есть до половины его «обычного» значения (что соответствует высоте приблизительно 5800 м над уровнем моря), нормальное дыхание для подавляющего большинства людей становится невозможным.

Массовые воздушные путешествия на крейсерских высотах более 10 км теперь возможны благодаря тому, что салоны авиалайнеров делают максимально герметичными, а все неизбежные потери внутреннего давления компенсируются «подкачкой» забортного воздуха (хотя во время полета давление там все равно снижается, но не до «внешних» значений). На рассвете авиации пилоты первых высотных самолетов обязательно брали с собой баллоны со сжатым кислородом и активно их использовали, а после исчерпания его запасов должны были опускаться на высоту менее 6 км, чтобы избежать повреждения мозга от кислородного голодания.

В 1931 году швейцарский ученый Огюст Пикар (Auguste Antoine Piccard) начал первые эксперименты со стратостатами — высотными аэростатами. Уже 27 мая вместе с ассистентом Паулем Кипфером (Paul Kipfer) ему удалось достичь высоты 15 785 м. Полет производился в полностью герметичной кабине (гондоле), имевшей форму сферы диаметром 2,1 м. Стратосферные путешественники взяли з собой не только запасы сжатого воздуха: на борту гондолы также находились специальные патроны с гидроксидом лития LiOH для поглощения углекислого газа. При отсутствии поглотителей этот газ, выделяемый во время дыхания, начал бы накапливаться в замкнутом пространстве, а его повышенная концентрация тоже оказывает нежелательное влияние на человеческий организм — вплоть до головокружения и потери сознания.

В Советском Союзе полеты Пикара вызвали повышенное внимание, и уже 30 сентября 1933 года стратостат «СССР-1» конструкции Константина Годунова совершил подъем на высоту 19 км, что стало новым мировым рекордом. Экипаж, в составе которого был сам Годунов, а также опытные военные воздухоплаватели Эрнест Бирнбаум и Георгий Прокофьев, совершил успешную посадку возле подмосковного города Коломна. Кроме исследователей, гондола несла большой груз научных приборов для изучения верхней атмосферы и космических лучей, а также баллоны с кислородом и запасы гашеной извести (гидроксида кальция) — его решили использовать как самый дешевый и достаточно эффективный поглотитель углекислого газа.

Опыт конструкторов стратостатов пригодился при создании первых советских космических кораблей серий «Восток» и «Восход». Правда, в их системе регенерации воздуха роль поглотителя выполнял не гидроксид кальция, а пероксид натрия Na₂O₂ и гипероксид калия KO₂. Эти соединения, несмотря на высокую стоимость и опасность, имеют одно очень важное преимущество: при поглощении углекислого газа и водяного пара они выделяют дополнительный кислород. От баллонов со сжатым газом также не отказались, но теперь в них содержалась кислородно-азотная смесь для компенсации возможных потерь при разгерметизации. Система позволяла в течение 10 суток поддерживать внутри сферического посадочного аппарата условия, пригодные жизни одного человека.

Принципиально иной была система жизнеобеспечения первых американских кораблей Mercury и Gemini. Их герметичное пространство заполнялось чистым кислородом под давлением 246 мм ртутного столба (32,8 кПа). Его потери компенсировались из баллонов, одновременно служивших для «питания» топливных элементов — каталитических реакторов, производящих электрический ток при реакции кислорода и водорода. Продуктом этой реакции является вода, используемая для питья и в ограниченном объеме для бытовых нужд. Углекислый газ поглощался гидроксидом лития.

Долговременные полеты

Куда же в таком случае девались жидкие и твердые отходы человеческой жизнедеятельности? Собственно, до поры до времени их никуда и не девали. Пока космические полеты продолжались меньше недели, космонавты и астронавты пользовались своеобразными «космическими памперсами» со сменными вкладками, способными поглотить большой объем жидкости и нейтрализовать нежелательные запахи. Но уже для кораблей следующего поколения «Союз», для которых планировалось автономное пребывание в космосе длительностью до 20 суток (с экипажем из двух человек), была разработана специальная система удаления и складирования отходов со сменными насадками, позволявшими пользоваться ею как мужчинам, так и женщинам. Она устанавливалась в бытовом отсеке и в стандартном исполнении могла обслуживать троих космонавтов в течение 5 суток. При сходе с орбиты этот отсек отделялся и вместе со всей «начинкой» сгорал в земной атмосфере. Посадочный аппарат оснащался дополнительным двухлитровым мочеприемником. После посадки собранные отходы выгружались и образцы отбирались для анализов.

Конструкторы лунных кораблей Apollo снова пошли другим путем. Одной из их задач было максимально облегчить космический аппарат, чтобы уменьшить количество топлива, необходимого для маневров вблизи Луны. Поэтому моча астронавтов через специальную систему клапанов (ее целью было предотвращение разгерметизации корабля) сразу «выливалась» в открытый космос. Вообще «аполлоновские туалеты» оказались настолько неудобными, что экипаж старался пользоваться ими как можно реже, иногда даже с последствиями для здоровья. Инженеры NASA понимали, что для длительных орбитальных полетов им нужно изобрести нечто более совершенное, и результатом их усилий стала санитарная система станции Skylab — наилучшая в то время.

Благодаря тому, что станцию выводили на орбиту с помощью самой мощной ракеты Saturn V, весовые ограничения, которыми руководствовались ее конструкторы, были не слишком суровыми. Астронавты получили в свое распоряжение удобный туалет и даже душ, к тому же во время запуска Skylab на ее борту уже находилось три кубометра воды, а потом ее запасы еще пополняли кораблями, на которых прибывали экспедиции посещения. Поэтому «водного дефицита» первый американский космический форпост не испытывал — даже с учетом того, что вода использовалась для охлаждения скафандров во время выходов в открытый космос. Так же решили и проблему запасов кислорода для дыхания. Но система удаления углекислого газа на новой орбитальной станции полностью отличалась от предыдущих.

Из опыта изучения обмена веществ в человеческом организме было известно, что при умеренных физических нагрузках в сутки человек потребляет почти килограмм кислорода (точнее, 950 г) и выделяет при этом 1,3 кг углекислого газа. Чтобы его поглотить, необходимо 720 г гидроксида лития — из всех поглотителей он имеет наименьшую массу при той же адсорбирующей способности. Несложно подсчитать, что для обеспечения пребывания в космическом аппарате экипажа из трех астронавтов в течение двух месяцев необходимо 130 кг LiOH (а планировались и более длительные миссии). Конструкторы увидели здесь возможность экономии массы. Вместо множества патронов с гидроксидом или пероксидом они установили на Skylab два контейнера с цеолитом — веществом, также способным поглощать СO₂, но затем выделять его при снижении давления. Эти емкости работали «попеременно»: пока одна была подключена к внутреннему пространству станции, очищая воздух от примесей, вторую «открывали» в космическое пространство, и она избавлялась от поглощенных газов, выделяя их в вакуум.

Похожее устройство для удаления углекислоты установили на станции «Мир», а сейчас аналогичные цеолитные поглотители работают на МКС. Но они все еще не обеспечивают повторного использования жизненно важных ресурсов. Первая настоящая система рециркуляции заработала в космосе в январе 1975 года на советском «Салюте-4».

«Космический источник»

Вторым жизненно важным ресурсом является вода. Только для питья среднестатистический человек тратит ее 2,5 кг в сутки. Но часть ее потом возвращается в газообразном состоянии — во время дыхания и при испарении пота. Эту часть рециркулировать проще всего: нужно лишь охладить воздух, чтобы водяной пар из него сконденсировался. Именно такой холодильник-конденсатор и установили на «Салют-4» (он имел обозначение СРВ-К — «система регенерации воды конденсационная»).

Работу прибора сильно усложняла невесомость. Во-первых, в таких условиях не происходит конвекция (образование тепловых газовых потоков), поэтому к конденсатору прилагалась система искусственной продувки. Во-вторых, в отсутствие силы тяжести полученная вода не стекала с охлажденных поверхностей самостоятельно, и ее тоже приходилось «сдувать». Но система доказала свою эффективность, позволяя регенерировать до трети водных расходов. После очистки специальными фильтрами конденсат использовали для питья.

Усовершенствованные версии водных конденсаторов работали на всех последующих станциях серии «Салют» и на многоцелевом орбитальном комплексе «Мир». Есть они и на Международной космической станции. Вообще, опыт «Мира» в развитии систем жизнеобеспечения космонавтов оказался очень ценным и широко используется до сих пор. Среди прочего там испытывались (достаточно успешно) устройства для регенерации технической воды и восстановления ее из мочи. В первом случае применялась фильтрация и ионный обмен с использованием реагентов, привезенных с Земли, во втором — испарение при пониженном давлении с последующей конденсацией водяного пара и выбрасыванием концентрированного остатка в забортное пространство.

Таким путем на станции «Мир» удалось довести показатель повторного использования воды до 70%, и это было признано достаточным, чтобы опробовать еще одну технологию — генерацию кислорода из водных растворов путем электролиза. Образовывавшийся как побочный продукт водород «отсеивали» с помощью молекулярных мембран и тоже выбрасывали в космос.

В наше время на МКС применяются все упомянутые технологии — испарение и конденсация, цеолиты, мембраны, а также ионный обмен. Благодаря этому степень рециркуляции воды достигает 93%. Часть ее поступает в российскую систему «Электрон-ВМ» и американскую OGS, где из нее добывается кислород. Это позволяет уменьшить суммарную массу жизненно важных материалов, ежегодно доставляемых на станцию грузовыми кораблями, примерно на три тонны. Регенерация мочи сейчас производится только в американском сегменте орбитального комплекса, поэтому его обитатели поощряют российских космонавтов пользоваться их туалетом. И, конечно же, на станции есть запас воды объемом более двух тысяч литров — на случай проблем со снабжением с Земли.

Дальнейшие планы инженеров NASA связаны с установкой на МКС реактора Сабатье — он позволит не выбрасывать в космос «молекулу кислорода» в составе углекислого газа, а с помощью водорода (уже упомянутого побочного продукта извлечения кислорода из воды) восстанавливать его до метана в реакции CO₂+4H₂=CH₄+2H₂O, протекающей на специальном катализаторе при 500°C. Полученный метан в перспективе можно будет использовать как горючее для реактивных двигателей станции.

Далеко ли до полной независимости?

Несложно заметить, что все существующие системы рециркуляции имеют существенный недостаток — они по-прежнему зависят от вспомогательных материалов, которые нужно регулярно доставлять с родной планеты. Полностью замкнутая система жизнеобеспечения должна максимально полно воспроизводить земную экосистему, то есть включать в себя растения, генерирующие кислород в процессе фотосинтеза, а также грибы и бактерии для переработки органических отходов человеческого организма (как мы уже знаем, наиболее эффективно такая переработка осуществляется в присутствии некоторых насекомых). На самом деле ученые до сих пор не исследовали во всех тонкостях, как эти процессы происходят на Земле и можно ли какими-то из них безболезненно пренебречь — об этом свидетельствует неудача двух экспериментов в комплексе Biosphere-2, где восемь человек должны были прожить более года в условиях полной изоляции от окружающей среды. Причем этот комплекс имел гораздо больший объем, чем МКС, включал в себя много компонентов экосистемы и находился под влиянием «стандартной» земной гравитации.

Даже если на космическом аппарате химическими методами удастся реализовать полную рециркуляцию кислорода и воды, остается еще третий важный компонент жизнеобеспечения, то есть пища. Ее человек потребляет в среднем 1,75 кг в сутки, и практически все это потребление в космосе сейчас обеспечивается поставками с Земли. Понятно, что в условиях межпланетного перелета это невозможно. Для путешествия на Марс продолжительностью 200 суток (минимально возможной с использованием имеющихся реактивных двигателей, и это в один конец!) экипажу из четырех астронавтов придется взять с собой около полутора тонн пищевых продуктов.

Единственная альтернатива этому при нынешних технологиях — выращивание собственных продуктов в оранжереях на борту межпланетного корабля. Такие эксперименты в космосе продолжаются еще с 60-х годов прошлого века, но первым растением, выросшим и давшим семена за пределами атмосферы, стала в 1982 году резушка Таля (Arabidopsis thaliana), высаженная в оранжерее на станции «Салют-7». На МКС постоянно ведутся опыты по выращиванию салата, капусты, редиса, подсолнечников. «Космическая зелень» вносит свой вклад в очистку внутренней среды станции от углекислого газа и насыщение ее кислородом. Но все эти опыты не преследуют цель полноценно обеспечить экипаж продуктами питания, тем более, что культивируемые растения не содержат всех необходимых человеку питательных веществ и микроэлементов.

Поэтому специалисты по экологии и системам жизнеобеспечения пока скептически смотрят на планы создания долговременного поселения на Марсе, несмотря на то, что там уже найдены большие залежи водяного льда (с Луной ситуация немного лучше — снабжение лунной базы с Земли организовать значительно проще, и полет туда продолжается всего несколько дней). Однако это не ставит крест на будущих путешествиях к соседним планетам. Современные технологии развиваются в разных направлениях: может быть, уже скоро мы получим новые двигатели, позволяющие существенно увеличить скорости и массы межпланетных кораблей, а возможно, мы научимся составлять оптимальную «молекулярную диету» для астронавтов, и им не придется брать с собой слишком большие запасы еды. Также не исключено, что большую часть перелета они будут проводить в состоянии анабиоза, потребляя минимум кислорода и питательных веществ. Но, конечно, все энтузиасты космонавтики надеются на то, что когда-нибудь за пределами земной атмосферы появится небольшой «кусочек Земли» — с привычным азотно-кислородным воздухом комнатной температуры, ручьями, озерами, растительностью и даже домашними животными. Неважно, где его создадут — на Луне, Марсе, астероиде или прямо внутри большого межпланетного лайнера. Главное, что он будет означать очередной важный шаг человечества в глубины Вселенной.

Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!

Popular:

  1. Как астрономы взвесили Вселенную
  2. От похорон до участков на Луне. Самые необычные космические услуги
  3. Внеземная наука. Пять наиболее интересных космических экспериментов
  4. Инженеры согласовали дизайн миссии DART
  5. NASA опубликовала поразительные фото МКС

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *