Откуда воздух на космической станции. Чем дышать в космосе. Перспективы развития комплекса регенерационных систем жизнеобеспечения

В российском сегменте Международной космической станции (РС МКС) исследуют влияние на организм экипажа тяжелых изотопов. Они появляются в атмосфере станции в результате работы аппаратуры. Эксперимент на МКС планируют провести в 2019 году. По мнению экспертов, полученные результаты помогут улучшить системы жизнеобеспечения и других изолированных объектов.

Как рассказали «Известиям» в МГТУ имени Баумана, на самочувствие экипажа и работу электронных устройств на борту оказывают негативное влияние тяжелые изотопы. Они образуются при работе установок для производства кислорода и очистки воздуха от углекислого газа.

Их скопление в клетках способствует развитию сахарного диабета, сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний, - рассказала первый заместитель заведующего кафедрой холодильной, криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения МГТУ Анастасия Казакова.

В эксперименте «Криоатмосфера» специалисты МГТУ намерены получить информацию о влиянии тяжелых изотопов кислорода на здоровье и самочувствие экипажа МКС, а также на работу электронного оборудования.

Также планируется отработать доставку на станцию и использование там твердого азота (для создания атмосферы) и неона (для охлаждения электронных устройств).

Сейчас азот поступает на орбиту в сжатом виде под давлением в сотни атмосфер - это требует прочной и тяжелой оболочки баллона. Твердый азот можно хранить в сравнительно легком криостате при температуре ниже минус 210 градусов Цельсия и давлении ниже атмосферного. Это позволит уменьшить массу оборудования.

В таком же криостате при температуре ниже минус 245 градусов Цельсия можно хранить и твердый неон. При его плавлении поглощается много теплоты. Это используют для охлаждения электронного оборудования, например, инфракрасных телескопов. С их помощью можно обнаруживать на земной поверхности пожары, извержения вулканов и другие природные и рукотворные катаклизмы. Чем ниже температура сенсоров этих приборов, тем лучше они могут фиксировать относительно небольшие очаги повышения температуры на Земле.

В ходе эксперимента на борту российского сегмента МКС будет испытана система подачи азота для создания необходимого газового состава атмосферы станции. После этого работа продолжится на Земле. На корабле «Союз-МС» ученым доставят пробы атмосферы станции. Это позволит исследовать количество тяжелых изотопов кислорода и их влияние на состояние космонавтов.

- Важно определить состав воздуха на российском сегмента МКС. Это поможет оценить влияние его компонентов на жизнедеятельность космонавтов, - рассказала «Известиям » директор НИКИ КРИОГЕНМАШ Елена Тарасова. - Полученные данные позволят учитывать особенности изменения состава воздуха в зависимости от вида работающего оборудования. Речь не только о космосе, но и о других изолированных объектах - подводных станциях, подземных пунктах управления и других.

Аппаратуру для эксперимента изготовят и доставят на орбиту на транспортном грузовом корабле «Прогресс МС». Ориентировочные сроки изготовления и наземных испытаний образцов - конец 2018 - начало 2019 года. Затем предполагается провести космический эксперимент.

Если ресурсы ограничены, то приходится работать с тем, что есть, особенно в суровых условиях космического пространства. Конечно, на МКС регулярно отправляют грузовые корабли с поставками, но для длительных миссий важна самодостаточность. Поэтому придется перерабатывать и повторно использовать драгоценные ресурсы, среди которых и кислород.

Свежий воздух

Сейчас ученые активно изучают как фотосинтез (процесс трансформации организмом света в энергию с побочным продуктом в виде кислорода) осуществляется в космосе. Для этого взяли микроводоросли Arthrospira (спирулина) и погрузили в фотобиореактор (цилиндр, наполненный светом). На станции углекислый газ через фотосинтез будет переходить в кислород и съедобную биомассу (белки).

Мы знаем, как это происходит в земных условиях, но важно протестировать процесс в пространстве. Эксперимент собираются проводить в течение месяца, когда количество кислорода из водорослей изменится достаточно.

После возвращения на Землю микроводоросли проанализируют в апреле 2018 года. Генетическая информация позволит получить более четкую картину влияния невесомости и радиации на растительную клетку. Известно, что Arthrospira наделена высокой устойчивостью к излучению, но нужно проверить ее максимальные способности.

Проект входит в часть программы Melissa (Альтернативная система жизнеобеспечения). Она отвечает за многие исследовательские и образовательные мероприятия, вроде проекта AstroPlant – собирает сведения о росте растений в разных уголках Земли.

Следом за этим последует проект Uriniss, изучающий рециркуляцию мочи, чтобы создать газообразный азот, энергию, потенциальные питательные вещества для растительности и воду.

«Предыдущие космические миссии – Меркурий, Джемини, Аполлон, брали с собой все необходимые запасы воды и кислорода и сбрасывали жидкие и газообразные отходы в космос», - поясняет Роберт Багдижян (Robert Bagdigian) из Центра Маршалла. Вкратце, системы жизнеобеспечения астронавтов были «разомкнутыми» – они полагались на поддержку с Земли, что частично верно и сегодня для Международной космической станции (МКС).

Однако для продолжительных миссий на или появляется смысл в том, чтобы замкнуть систему – то есть перерабатывать воздух и грязную воду, вместо того чтобы выбрасывать их. В ближайшее время на МКС будут проводиться испытания такой системы регенерации. Название проекта – Системы контроля среды и жизнеобеспечения (Environmental Control and Life Support Systems), более известное под аббревиатурой ECLSS. Роберт Багдижян является руководителем данного проекта.

Система регенерации воды ECLSS

«Русские опередили нас в этой области, - говорит Робин Карраскилло (Robyn Carrasquillo), технический руководитель проекта ECLSS, - Ещё космические аппараты «Салют» и «Мир» были способны конденсировать влагу из воздуха и использовали электролиз – пропускание электрического тока через воду – для производства кислорода». Разработанная в NASA система ECLSS будет запущена на МКС в 2008 году и пойдёт в вопросах регенерации ещё дальше – она способна получать питьевую воду не только из испарений, но и из мочи.

Процесс восстановления воды из мочи – сложная техническая задача: «Моча гораздо «грязнее» водяных испарений, - объясняет Карраскилло, - Она способна разъедать металлические детали и засорять трубы». Система ECLSS использует для очищения мочи процесс, называемый парокомпрессионная дистилляция: моча кипятится до тех пор, пока вода из неё не превратится в пар. Пар – естественно очищенная вода в парообразном состоянии (за исключением следов аммиака и других газов) – поднимается в дистилляционную камеру, оставляя концентрированную коричневую жижу нечистот и солей, которую Карраскилло милосердно называет «рассолом» (который затем выбрасывается в открытый космос). Затем пар охлаждается, и вода конденсируется. Полученный дистиллят смешивается со сконденсированной из воздуха влагой и фильтруется до состояния, пригодного для питья. Система ECLSS способна восстановить 100% влаги из воздуха и 85% воды из мочи, что соответствует суммарной эффективности около 93%.

Описанное выше, однако, относится к работе системы в земных условиях. В космосе появляется дополнительная сложность – пар не поднимается вверх: он не способен подняться в дистилляционную камеру. Поэтому в модели ECLSS для МКС «…мы вращаем дистилляционную систему для создания искусственной гравитации, чтобы разделить пары и рассол», - поясняет Карраскилло.

Более того, в микрогравитации космического аппарата человеческие волосы, частицы кожи, пух и другие примеси взвешены в воздухе и не падают на пол. В связи с этим необходима внушительная система фильтрации. В конце процесса очистки в воду добавляется йод для замедления роста микробов (хлор, используемый для очистки воды на Земле, слишком химически активен и опасен для хранения в условиях космоса).

Система регенеративного восстановления воды для МКС, имея вес около полутора тонн, будет «…производить полгаллона воды в час, что больше, чем потребности команды из трёх человек, - заявляет Карраскилло, - Это позволит космической станции непрерывно поддерживать жизнедеятельность шести астронавтов». Система разработана для производства питьевой воды «…стандарты чистоты которой выше большинства муниципальных водопроводных систем на Земле», - добавил Багдижян.

В добавление к производству питьевой воды для экипажа, система восстановления воды будет снабжать водой другую часть ECLSS: систему генерации кислорода (oxygen generation system, OGS). Принцип действия OGS – электролиз. Молекулы воды расщепляются на кислород, необходимый для дыхания, и водород, который выводится из космического аппарата. «Цикл производства воздуха требует достаточно чистую воду, чтобы электролизные камеры не засорялись», - подчёркивает Багдижян.

«Регенерация гораздо более эффективна, чем пополнение запасов станции с Земли», - заявляет Карраскилло, особенно после того, как закончится срок эксплуатации Шаттлов в 2010 году. Восполнение 93% грязной воды впечатляет, однако для многомесячных и многолетних миссий к Луне и Марсу, последующие версии системы ECLSS должны достигать эффективности, близкой к 100%. В таком случае астронавты будут готовы к выживанию в условиях нашей «Дюны».

Вода - это жизнь. Этой мысли тысячи лет, а она до сих пор не утратила своей актуальности. С наступлением космической эры, значение воды лишь возросло, так как от воды в космосе зависит буквально все, начиная от работы самой космической станции и заканчивая выработкой кислорода. Первые космические полеты не имели замкнутой системы «водоснабжения». То есть, вся вода бралась на борт изначально, еще с Земли. Сегодня на МКС частично замкнутая система регенерации воды, и в этой статье вы узнаете подробности.

Откуда берется вода на МКС

Регенерация воды - это повторное получение воды. Отсюда нужно сделать самый главный вывод, что первоначально вода на МКС доставляется с Земли. Невозможно регенерировать воду, если изначально ее не доставить с Земли. Сам процесс регенерации снижает расходы на космические полеты, и делает систему МКС менее зависимой от наземных служб.

Вода, доставляемая с Земли используется на МКС многократно. Сейчас на МКС используется несколько способов регенерации воды:

• Конденсация влаги из воздуха;
• Очистка использованной воды;
• Переработка урины и твердых отходов;

На МКС установлена специальная аппаратура, которая конденсирует влагу из воздуха. Влага в воздухе - это естественно, она есть и в космосе и на Земле. В процессе жизнедеятельности космонавты могут выделять до 2,5 литров жидкости в сутки. Кроме этого, на МКС есть специальные фильтры, для очистки использованной воды. Но учитывая то, как моются космонавты , бытовой расход воды значительно отличается от земного. Переработка урины и твердых отходов - это новая разработка, примененная на МКС лишь с 2010-ого года.

На данный момент, для функционирования МКС требуется около 9000 литров воды в год. Это общая цифра, отражающая все расходы. Вода на МКС регенерируется примерно на 93%, поэтому объемы поставок воды на МКС существенно ниже. Но не стоит забывать, что с каждым полным циклом использования воды, ее общий объем уменьшается на 7%, что делает МКС зависимой от поставок с Земли.

С 29 мая 2009-ого количество членов экипажа возросло вдвое - с 3 до 6 человек. Вместе с этим возрос и расход воды, но современные технологии позволили увеличить численность космонавтов на МКС.

Регенерация воды в космосе

Когда речь заходит про космос, важно учитывать энергозатраты, или как их называют в профессиональной сфере - массозатраты, для производства воды. Первый полноценный аппарат регенерации воды появился на станции «Мир», и за все время существования он позволил «сэкономить» 58650 кг доставляемых грузов с Земли. Вспоминая, что доставка 1 кг груза стоит около 5-6 тысяч долларов США, первая полноценная система регенерации воды позволила снизить расходы примерно на 300 млн долларов США.

Современные российские системы регенерации воды - СРВ-К2М и Электрон-ВМ позволяют обеспечить космонавтов на МКС водой на 63%. Биохимический анализ показал, что регенерированная вода не утрачивает своих исходных свойств, и полностью пригодна для питья. В настоящий момент, российские ученые работают над созданием более замкнутой системы, что позволит обеспечить космонавтов водой на 95%. Существуют перспективы развития систем очистки, которые обеспечат на 100% замкнутый цикл.

Американская система регенерации воды - ECLSS, была разработана в 2008-ом году. Она позволяет не только собрать влагу из воздуха, но и регенерировать воду из мочи и твердых отходов. Несмотря на серьезные проблемы и частые поломки на протяжении первых двух лет эксплуатации, сегодня ECLSS позволяет восстановить 100% влаги из воздуха и 85% влаги из мочи и твердых отходов. В результате, на МКС появился современный аппарат, позволяющий восстановить до 93% первоначального объема воды.

Очистка воды

Ключевым моментом в регенерации является очистка воды. В очистительные системы собирается любая вода - оставшаяся от приготовления пищи, грязная вода от мытья и даже пот космонавтов. Все эта вода собирается в специальный дистиллятор, визуально похожий на бочку. При очистке воды необходимо создать искусственную гравитацию, для этого дистиллятор вращается, при этом грязная вода прогоняется через фильтры. В результате получается чистая питьевая вода, которая по своим качествам даже превосходит питьевую воду во многих уголках Земли.

На последнем этапе в воду добавляется йод. Этот химический препарат позволяет предотвратить размножение микробов и бактерий, а также является необходимым элементом для здоровья космонавтов. Любопытный факт, что на Земле йодированная вода считается слишком дорогим удовольствием для массового применения, и вместо йода используется хлор. От использования хлора на МКС отказались по причине агрессивности данного элемента, и большей пользы от йода.

Потребление воды в космосе

Для обеспечения жизнедеятельности космонавтов требуется колоссальное количество воды. Если бы к нашим дням не наладили систему регенерации воды, то космические исследования, наверняка, застряли бы в прошлом. Учитывая расход воды в космосе используются следующие данные в расчёте на 1 человека в сутки:

• 2,2 литра - питье и приготовление пищи;
• 0,2 литра - гигиена;
• 0,3 литра - смыв туалета;

Потребление воды для питья и пищи практически соотсветвует земным нормам. Гигиена и туалет - намного меньше, хотя все это поддается переработке и повторному использованию, но это требует энергетических затрат, так что расходы были также снижены. Любопытный факт, что если на российского космонавта в день приходится 2,7 литра воды, то на американских астронавтов выделено примерно 3,6 литра. Американская миссия продолжает получать воду с Земли, впрочем как и российские космонавты. Но в отличие от российской миссии, американцы получают воду в небольших пластиковых пакетах, а наши космонавты в 22 литровых бочонках.

Использование переработанной воды

Обыватель может предположить, что космонавты на МКС пьют воду, переработанную из собственной урины и твердых отходов. На деле же это не так, для питья и приготовления пищи космонавты используют чистую родниковую воду, доставленную с Земли. Вода дополнительно проходит серебряные фильтры, и доставляется на МКС российским грузовым космическим кораблем «Прогресс».

Питьевая вода поставляется в 22 литровых бочках. Воду, полученную путем переработки урины и твёрдых отходов используют для технических нужд. Например, вода необходима для работы катализаторов и для работы системы выработки кислорода. Условно говоря, космонавты «дышат уриной», а не пьют ее.

В начале 2010-ого года в СМИ появилась информация, что из-за поломки в системе регенерации воды на МКС, у американских астронавтов заканчивается питьевая вода. Владимир Соловьев, руководитель полета российского сегмента МКС, рассказал журналистам, что экипаж МКС никогда не пил воду, получаемую путем регенерации из урины. Поэтому поломка американской системы переработки урины, которая действительно была на тот момент, не повлияла на количество питьевой воды. Примечательно, что американская система дважды выходила из строя по одной и той же причине, и лишь на второй раз удалось установить истинную причину проблемы. Оказалось, что из-за влияния космических условий, в моче астронавтов сильно повышается кальций. Фильтры для переработки урины, разработанные на Земле, не были рассчитаны на такой биохимический состав мочи, и поэтому быстро приходили в негодность.

Производство кислорода из воды

Советские, а затем и российские ученые, задают темп в вопросе производства кислорода из воды. И если в вопросе регенерации воды американские коллеги немного перегнали российских ученых, то в вопросе выработки кислорода, наши уверено держат пальму первенства. Даже сегодня, 20-30% переработанной воды из американского сектора МКС идет в российские аппараты по производству кислорода. Регенерация воды в космосе тесно связана с регенерацией кислорода.

Первые аппараты по производству кислорода из воды были установлены еще на аппаратах «Салют» и «Мир». Процесс производства максимально прост - специальные приборы конденсируют влагу из воздуха, а затем путем электролиза из этой воды производят кислород. Электролиз - пропускание тока через воду, является хорошо отработанной схемой, которая надежно обеспечивает космонавтов кислородом.

Сегодня к конденсируемой влаге добавился еще один источник воды - переработанная урина и твердые отходы, позволяющие получить техническую воду. Техническая вода из американский аппарата ECLSS поставляется в российскую систему и американскую OGS (Oxygen Generation System), где затем «перерабатывается» в кислород.

Ученые бьются над решением задачи - 100% замкнутый цикл для полного обеспечения космонавтов водой и кислородом. Одна из самых перспективных разработок - получение воды из углекислого газа. Этот газ является продуктом дыхания человека, и в настоящее время этот «продукт» жизнедеятельности космонавтов практически не используется.

Французский химик - Поль Саботье, открыл удивительный эффект, благодаря которому из реакции водорода и диоксида углерода можно получить воду и метан. Нынешний процесс производства кислорода на МКС связан с выделением водорода, но его просто выбрасывают в открытый космос, так как не находят ему применения. Если ученым удастся наладить эффективную систему по переработке углекислого газа, то удастся достичь практически 100% замкнутости системы, и найти эффективное применение водороду.

Реакция Боша, является не менее перспективной в вопросах получения воды и кислорода, но эта реакция требует крайне высоких температур, поэтому за процессом Саботье многие эксперты видят больше перспектив.

Для астронавтов, вода в космосе , впрочем, как и на Земле, является важнейшим ресурсом.

Все мы хорошо знаем, что без воды человек может прожить совсем не долго.

Так например:

• При температуре 16°С / 23°С, не более десяти дней;
• При 26°С, максимум девять дней;
• При 29°С, до семи дней;
• При 36°С, до трех дней.

Но вернемся к нашим астронавтам.

Норма воды на одного космонавта

Если с едой на орбите в общем ситуация понятна – ученые изобретают все новые и новые концентраты, которые при относительно малых объемах и малом весе обладают высокой калорийностью, то с водой ситуация сложней. Вода тяжелая , ее не ужать и не высушить, поэтому на нее уходит относительно много «полезной нагрузки» корабля, а это весьма важный фактор для космических путешествий.

По «российским космическим нормам» на одного космонавта в сутки требуется ориентировочно по 500/600 грамм еды (что составляет ~ 2500/2700 килокалорий) и 2,2 литра воды. Мы видим, что суточная норма воды гораздо тяжелее и больше в объеме чем порция еды. У американцев нормы еще более «щедрые» и выделяют астронавту ориентировочно 3,6 литра.

Технологий, позволяющих эффективно добывать чистую воду в открытом космосе:) или синтезировать ее на орбите пока нет, поэтому главную ее часть приходится доставлять с Земли специальными грузовыми космическими кораблями. Все это определяет режим жесткой экономии воды.

Как используется вода на космической орбите

Вода в космосе нужна не только для питья, но и для других целей:

• для «активации» сухих продуктов питания;
• для гигиенических целей;
• для успешного функционирования других систем космических кораблей;

Вода в космосе — режим экономии

С целью рационального использования воды на космической орбите, разработаны специальные правила ее экономии. В космосе не стирают одежду, а используют свежие комплекты. Гигиенические потребности удовлетворяют специальными влажными салфетками.

Из 8000 литров пресной воды в год, требуемых для обеспечения жизнедеятельности на космической станции, 80% из них могут быть воспроизведены непосредственно на самой станции из отходов жизнедеятельности человека и других систем космической станции.

Так, например, американские ученые создали во многом уникальную систему очистки мочи. Как утверждают разработчики этой системы, моча и конденсат, очищенные с помощью их аппарата практически ничем не отличается от стандартной бутилированной воды. Эти системы очистки воды способны перерабатывать до 6000 литров в год.

Источники воспроизводства воды на орбитальных станциях:

• конденсат;
• моча астронавтов;
• отходы работы кислородно-водородных топливных элементов — для технических нужд.

Будем надеяться, что на Земле чистая и вкусная вода будет нам всегда доступна и человечеству в глобальном смысле никогда не придётся использовать вышеописанные методы и технологии для ее получения и экономии.