Как избавиться от углекислого газа в космических кораблях
Углубленный анализ Луки Лонго
Удалите углекислый газ из воздуха: не только для того, чтобы остановить изменение климата, но и чтобы ваша кожа вернулась домой. Это проблема, которая преследует разработчиков космических кораблей с начала космической эры.
Пилотируемые ракетостроители рано поняли, что недостаточно обеспечить космонавтов и астронавтов постоянным притоком кислорода; внутри космического корабля также необходимо было удалить углекислый газ, производимый экипажем. Это была одна из многих проблем, с которыми дизайнеры столкнулись впервые. Фактически, даже на подводных лодках того времени обе проблемы были просто решены путем подъема труб — трубок — над поверхностью моря, чтобы закачивать свежий воздух и выталкивать застоявшийся воздух: решение, безусловно, непригодное для использования в космосе.
Кислород составляет около 21% от объема воздуха, которым мы дышим, но человеческий организм может хорошо выжить даже при концентрациях до 15-17%. Ниже этого порога начинает возникать замешательство, и способность прилагать физические усилия снижается.
Вместо этого углекислый газ составляет всего 0,04% (400 частей на миллион) газов, присутствующих в атмосфере. Но в то время как мы не замечаем, если концентрация кислорода падает даже на несколько процентных пунктов, как только содержание CO2 в вдыхаемом воздухе немного увеличивается, наше тело немедленно реагирует, увеличивая частоту дыхания. Некоторые люди начинают ощущать первые симптомы (раздражительность и спутанность сознания) около 0,5% от объема, в то время как все испытывают сильное головокружение, когда концентрация CO2 в воздухе повышается до 1%.
По этой причине, помимо кислородных баллонов, которые заменяют баллоны, потребляемые космонавтами, все космические челноки оснащены системами улавливания и удаления углекислого газа: скрубберами. Каждый из них должен уметь удалять из атмосферы шаттла CO2, выделяемый каждым членом экипажа: около одного килограмма каждые 24 часа.
Во время программ Mercury, Gemini, Apollo и Shuttle НАСА использовало химические скрубберы. Воздух кабины закачивался в пористые корзины, заполненные кристаллическим гидроксидом лития (LiOH). CO2 прореагировал с образованием карбоната лития и воды, а очищенный воздух был обогащен кислородом, взятым из баллонов под давлением и повторно введенным в кабину. Проблема заключалась в том, что эти фильтры приходилось периодически заменять, когда гидроксид лития полностью превращался в карбонат.
Система была не очень практичной и создавала проблемы во время миссии Аполлона-13, когда астронавтам (беженцам в посадочном модуле из-за отказа основной капсулы из-за взрыва топливных элементов в служебном модуле) пришлось адаптироваться. квадратные контейнеры, разработанные North American Aviation для командного модуля, к круглым корпусам, изготовленным Grumman для лунного модуля.
Советы получили всех своих космических приматов благодаря системе, отличной от этой. Уже в «Спутник-2» Лайки и «Восток-1» Гагарина кислород хранился не в виде газа под давлением, а в твердом состоянии в виде супероксида калия (KO2). Затхлый воздух, бедный кислородом и содержащий углекислый газ и влажность, исходящую от экипажа, был отправлен в контейнер с KO2, вызывая экзотермическую реакцию, которая захватывала воду с выделением кислорода и гидроксида калия (КОН). Кислород заменил кислород, которым дышали космонавты, в то время как КОН вступил в реакцию с СО2 с образованием карбоната калия. Таким образом, углекислый газ и вода, образующиеся при дыхании, удалялись, инструменты сохранялись в тепле и регенерировался необходимый кислород. Электроэнергия требовалась только для насоса, было очень мало движущихся частей, которые могли сломаться, и газа под давлением не было.
Система работала хорошо и имела такие небольшие размеры и вес, что первый «Восток-1» позволил бы Гагарину нормально дышать в течение 12 дней — времени, необходимого для баллистического входа в атмосферу в случае, если ракеты для выхода с орбиты не сработают. загораться.
Подразделение ОКБ-124, которое разработало этот многофункциональный газоочиститель вместе с техническими специалистами советского военно-морского флота, впоследствии применило его на Восходах, Союзах, а также на подводных лодках, которые благодаря этому изобретению и ядерному двигателю могли оставаться в подводном положении в течение длительного времени. месяцы.
Проблема создания эффективных скрубберов вновь возникла, когда были запущены первые постоянные космические станции. Невозможно представить себе оснащение каждой множеством «одноразовых» корзин, содержащих KO2 или LiOH. По этой причине отказались от химических скрубберов, используемых в гондолах для разработки адсорбционных систем.
Внутри них находится пористое твердое вещество, очень похожее на двуокись углерода. Над ним прокачивается застоявшийся воздух, и к нему прилипает углекислый газ. Когда этот молекулярный скотч насыщен CO2, достаточно закрыть клапаны, соединяющие кабину, открыть их наружу, чтобы CO2 покинул ее и рассеялся в космическом вакууме. Теперь материал готов к новому циклу адсорбции. Та же система используется для извлечения воды, выделяемой при дыхании экипажа.
Сначала на Skylab — космической станции, разработанной Соединенными Штатами, — а затем в американской части Международной космической станции (МКС) были установлены скрубберы на основе диоксида кремния и кристаллов алюминия, называемых цеолитами. Это молекулярные сита с отверстиями точных размеров, предназначенными для измерения максимально возможного сродства к молекулам определенного размера. В частности, американцы используют Zeolite 13x (идеальный для поглощения воды) в сочетании с Zeolite 5A (оптимизированный для поглощения диоксида углерода).
Две из этих систем — так называемая «Сборка удаления двуокиси углерода» (Cdra) — присутствуют как в Узле 3, так и в лаборатории Tranquility в американской секции. Каждая пара скрубберов работает в тандеме: в то время как один из двух адсорбирует H2O и CO2 изнутри станции, другой подвергается воздействию внешнего вакуума и избавляется от того, что было поглощено в предыдущем цикле. Система довольно сложна и — при непрерывном использовании — требует периодического обслуживания, поскольку цеолиты в форме шариков имеют тенденцию уноситься адсорбционными слоями и повреждать турбины. Кроме того, цеолитовая пыль имеет тенденцию накапливаться в каналах и вызывать короткие замыкания.
Таким образом, система CDRA способна поддерживать команду из 4 человек плюс несколько лабораторных морских свинок с общим дыханием 1,25 человека.
Русские внедрили другую систему под названием «Воздух», установленную в служебном модуле российского орбитального сегмента, которая адсорбирует H2O и CO2 благодаря основным свойствам трех различных слоев амина. Эта технология — более простая и не имеющая движущихся частей, кроме клапанов — основана на опыте, накопленном Советским Союзом на шести космических станциях Салют, а затем и на МИР. Последняя версия, установленная на борту МКС, способна бесконечно поддерживать экипаж из 6 человек, удаляя 3000 литров углекислого газа в день.
Вся система на МКС настолько избыточна: Воздух представляет основную систему, а Cdra вмешивается, когда Воздух находится на обслуживании. Если бы все системы вышли из строя одновременно, на «Союзе», всегда подключенном к МКС, есть химические скрубберы старого типа, но всегда способные поддерживать экипаж из трех человек в течение 15 дней каждый. После опыта с Apollo 13, просто чтобы ничего не оставить на волю случая, на шаттлах, которые достигли МКС до 2011 года, также были доступны адаптеры, способные соединять американские скрубберы с российскими корзинами и управлять ими.
Еще один гигантский шаг, с которым придется столкнуться исследователям космоса, будет заключаться в создании космических станций или постоянных колоний — начиная с Луны и Марса — в которых системы очистки должны будут поддерживать пригодную для жизни среду обитания на неопределенный срок.
На Луне, лишенной атмосферы, можно было бы использовать двухтактные скрубберы, разработанные на МКС, но на Марсе проблема усложняется, потому что марсианская атмосфера почти полностью состоит из CO2, слоя адсорбента, подверженного воздействию Марсианская атмосфера не восстановится, а, напротив, будет полностью отравлена избыточным давлением углекислого газа.
По этой причине на борту марсохода Perseverance, запущенного 30 июля 2020 года и который должен прибыть на красную планету 18 февраля 2021 года с миссией MARS 2020, Массачусетский технологический институт и Институт Нильса Бора установили эксперимент по использованию кислородных ресурсов на Марсе. (МОКСИ). Эта экспериментальная установка должна продемонстрировать возможность преобразования — благодаря энергии, поставляемой марсоходом, — марсианского атмосферного CO2 в окись углерода и кислород с помощью твердотельного электролизера, аналогичного тем, которые преобразуют воду в водород и кислород. Таким образом, всегда имея в наличии источник энергии, можно было бы получать кислород прямо на поверхности Марса, а не переносить его в баллонах.
Процесс, который уже был опробован на МКС, — это процесс Сабатье. Это преобразовывает влажность, выделяемую экипажем, в водород и кислород благодаря электролизеру. Тогда кислород может вдохнуть экипаж или воспламениться в двигательных установках. С другой стороны, водород объединяется с углекислым газом, производимым экипажем, для получения метана и воды с помощью каталитического процесса на основе никеля (катализатор на нулевом километре: он достаточно присутствует в марсианских породах). Затем метан может быть смешан с кислородом в двигательной установке. Стехиометрия говорит нам, что даже небольшой процент дополнительного кислорода остается пригодным для жизни экипажа.
Все эти технологии могут работать на этапе строительства колонии, но когда колония заработает и колонисты должны научиться бесконечно постоять за себя без поставок с Земли, вероятно, лучшей технологией регенерации воздуха будут биологические системы. Последний — после запуска — будет иметь то преимущество, что не потребует глубокого обслуживания благодаря способности одних и тех же биологических организмов к размножению и самовосстановлению. Мы скоро поговорим об этом еще раз.
Уже сегодня мы можем мечтать о космических колониях, оборудованных огромными оранжереями, полными трав, деревьев или водорослей, построенными не только на планетах и спутниках, но и на борту гигантских космических кораблей, предназначенных для «исследования новых миров в поисках других форм жизни и цивилизации. чтобы попасть туда, куда прежде не ходил ни один человек ".
Статья опубликована на eni.com
Это автоматический перевод публикации, опубликованной в журнале Start Magazine по адресу https://www.startmag.it/energia/come-eliminare-anidride-carbonica-nelle-navi-spaziali/ в Sat, 30 Jan 2021 06:39:19 +0000.