Astronautics
Popular science
November 2018 13

Углекислый газ на МКС

В октябре на МКС была установлена новая (принципиально) система регенерации воздуха, которая повысит замкнутость воздушного цикла вдвое.

Реактор Сабатье, вид сверху и снизу

Однако если с технологическим прогрессом все будет хорошо, то этот вариант просуществует недолго, — и нас ждет откат к системе предыдущего типа. А вот если прогресс будет буксовать, то новая система станет золотым стандартом на десятилетия.

Краткое содержание: Что такое духота: мало кислорода? — Нормы НАСА и ВМФ США по содержанию CO2 — Сколько CO2 выделяет человек? — I поколение систем регенерации воздуха — II поколение — III поколение — Перспективы систем с полной регенерацией — Сравнительная таблица

Что такое духота?


Все знают, что для дыхания нужен кислород. Многие уверены, что духота в комнате наступает, потому что в комнате выдышали часть кислорода; а проветривание нужно для того, чтобы с улицы поступил новый.

На самом деле, это не так.

Средний человек потребляет кислорода ~1 кг/сутки (или ~1/2 гр/минуту).

Чтобы в средней комнате (3х5х2,6=40) при нормальных услових (содержание O2 0,28 кг/м3) выдышать кислород до уровня низкого, как высоко в горах, один человек должен дышать неделю.

В реальности же, как нетрудно убедиться, замуроваться в комнате на неделю не выйдет. Если человек герметично закроется в спальне, то с трудом проведет так даже одну ночь. Через несколько часов сон станет беспокойным, будет нарастающее ощущение духоты. Сутки в такой комнате станут пыткой — не аллегорически, а в самом буквальном смысле. Человеку физически станет очень плохо.

Дело не в кислороде, а в углекислом газе, который человек выдыхает взамен.

Сколько CO2 выделяет человек?


В свежем воздухе содержание CO2 ~0,04% (0,5 гр/м3).

При возрастании содержания до 0,7% и далее, игнорировать духоту все сложнее. Это уже не просто психологический дискомфорт, но и заметные физиологические изменения (с 1%): рост частоты и глубины дыхания, повышение давления, частоты сердечных сокращений, усиление потоотделения; возрастает число ошибок в сложной работе, начинается головная боль, предельная концентрация становится недостижима (с 2%). В гражданских исследованиях не экспериментируют с содержанием выше 2,5%.

Понятно, что потребив 1 кг O2, человык выдыхнет порядка 1,4 кг CO2.

Почему не точно? Разве легкие - это не вроде катализатора?
При поглощении из воздуха 1 молекулы O2, разве не выделяется ровно 1 молекула CO2?

С точки зрения биологичеких механизмов, это не обязательно так. В эритроцитах эти процессы разделены. Одна система захватывает кислород, другая выбрасывает углекислоту.

И в реальности молекул кислорода захватывается больше, чем выделяется углекислоты.
Проще всего это понять, если обратить внимание на жиры (в еде нашего модельного человека). По составу их можно огрубленно считать как CH2.

Кроме 1 молекулы кислорода, чтобы окислить атом углерода, нам понадобится еще один дополнительный атом кислорода, чтобы окислить водород. В целом кислорода будет потреблено в полтора раза больше, чем выдохнуто углекислого газа.

Однако для углеводов и белков это соотношение близко к 1:1, поэтому далее, для простоты, рассматривается «катализаторное» приближение дыхания.

В нашей замурованной комнате, объемом в 40м3, с изначально идеально свежим воздухом, человек уже за 20 минут увеличит «природное» содержание CO2 вдвое. За ночь в 20+ раз — до 1%. За сутки до 3%.

Нормы НАСА и ВМФ США по содержанию CO2


В земной жизни такие замурованные места, где форточку не открыть, а работать надо много дней подряд, — это подводные лодки.

Подводников гораздо больше, чем космонавтов. И работа у них не менее сложная и ответственная. Так что есть большая и качественная статистика.

При разработке космических систем регенерации, ориентируются на этот опыт, но нормы для космонавтов ставят более гуманные, НАСА решило брать для долгих сроков множитель 1/3:

Допустимая концентрация CO<sub><small>2</small></sub> в зависимости от времени пребывания.

То есть 0,8%.

Однако в реальности НАСА старается держать на МКС уровень не выше 0,5%. Дело в том, что уже при таком уровне отдельные астронавты начинают испытывать дискомфорт, — психологи в ЦУПе замечают, что поведение людей ощутимо меняется, даже если сами они не жалуются.

И возникает необходимость: как поддерживать в воздухе низкое содержание CO2?

0-е поколение — продув


Исторически это самое первое решение, потому что самое простое.

Сначала даже на пуповине, Леонов

Идет просто постепенный продув кислородом атмосферы скафандра. Выделяемый при дыхании углекислый газ выбрасывается в вакуум — вместе со всей остальной смесью. Где остается еще очень много кислорода, которым можно было бы дышать.

Понятно, что как штатная система такое существовало лишь в самом начале космонавтики.
Сейчас эта система используется только как дублирующая система в скафандрах. То есть на случай неисправности основной системы (см. ниже, следующее поколение), или же как экстренное расширение по времени, — когда основная система уже исчерпана, а космонавт не успел вернуться. Расчетное время работы такой запасной системы в современном скафандре — полчаса.

Чтобы было понятно, насколько такая система неэффективна: за эти полчаса будет израсходовано на продув 1,2 кг кислорода, из которых человек усвоит 15-20 граммов. Эффективность менее 2%.

I поколение — знаменитые «шашки» для воздуха


Эта система регенерации стала основной почти сразу — и оставалась такой десятилетия.

Ее использовал и первый человек на Луне, и последние люди на шаттлах (хотя к тому времени на МКС, а до этого и на «Мире», и даже на Skylab, как штатный вариант уже использовалось следующее поколение, см. ниже).

Воздух гоняется по замкнутому циклу, без сброса наружу. Убыток кислорода компенсируется тем, что подмешивается кислород из баллонов (или, позже, от электролиза воды), а для удаления CO2 используются емкости с гидроксидом лития:

2LiOH + CO2 → Li2CO3 + H2O

Углекислый газ связывается в карбонат лития. Формально в этой реакции выделяется вода, которую можно было бы (теоретически) попытаться извлечь, и разложить на водород и кислород, который снова использовать.

В реальности — после использования шашка, со всем содержимым, идет в мусор. Из-за своей компактности, такая система используется как штатная система во всех современных скафандрах и кораблях-доставщиках («Союз», будущие американские). Из-за своей простоты и надежности, такая система считается запасной/добавочной на МКС, — если штатная система вышла из строя; если на станции слишком много людей, и основная система не справляется.

Когда к МКС еще летали шатлы, на каждом из которых была целая орава, и все они проводили на станции больше времени, чем расчетный полет шаттла — двух штатных систем МКС (русская и американская) не хватало, на шаттле постоянно «жгли» свои шашки, а затем еще значительную часть запаса шашек на МКС. Затем на грузовых кораблях добрасывали новых.

Современная американская шашка содержит 3 кг LiOH,

Scrubber

русская 5 кг.

С шашками, в идеале, невосполнимо теряется куда меньше: углекислый газ, забранный шашками; сами шашки. (И, если вы производите кислород из воды, то выделившийся из воды водород, он тоже отправляется за борт.)

При этом самая большая трата по массе — это сами шашки. А можно как-то не тратя шашек?

II поколение — штатный режим МКС


Если очень грубо, то это усовершенствованный кошачий лоток с наполнителем.

У нас есть вещество, хорошо пропитывающееся газом, — но не любым, а в зависимости от диаметра молекулы. Углекислота захватывается, азот и кислород почти нет. То есть перед нами так называемое «молекулярное сито». Со времен Skylab, это цеолит.

Чтобы цеолит не вымокал (на станции нормальная влажность, каждый человек выдыхает за сутки литр воды), сначала воздух сушится. Охлаждается. И подается в камеру с цеолитом.

На примере новой системы

Таких камер две (в американской системе), или три (в русской). Какое-то время одна из камер впитывает углекислый газ, затем поток воздуха переключается на вторую. В это время внутрь первой подается вакуум, а цеолит подогревается. Углекислота выходит из него. Это один цикл. Теперь мы можем снова использовать первую камеру для очистки воздуха, а вторую поставить на выветривание в вакуум.

В идеале, вы забираете из атмосферы МКС только углекислый газ. Это ваша невосполнимая потеря (этот газ вы отправляете за борт), — но сами адсорбенты используются многократно, в отличие от кошачих лотков или систем на шашках. (Ну и разумеется, продолжаете выбрасывать за борт водород, как побочный продукт электролиза при получении кислорода.)

Вопрос: а если выбрасывать углекислый газ за борт стало жалко? Он же на две трети с лишним из кислорода!

Поколение 2.5 — экспериментальное, неудачное


Систему пытались разработать для «Мира», но ничего путного не вышло.

С одной стороны, нужно отдать должное смелости советских инженеров. Если бы система заработала, то это было бы полное замыкание цикла по кислороду.

С другой стороны, нельзя не вспомнить и классическое — «Деточка, ты же лопнешь?» Возможно, если бы усилия были направлены на менее амбициозную задачу (американцы с самого начала все работы вели именно по такой менее амбициозной задаче, хотя и обладали куда большими ресурсами), то советские инженеры прекрасно решили бы ее, и системы III поколения успешно использовались бы уже тридцать лет.

В чем же идея. Чтобы превратить углекислый газ в кислород, можно использовать так называемую реакцию Боша: углекислый газ смешивается с водородом, и при высокой температуре углекислый газ сначала восстанавливается до угарного газа, а затем на катализаторе идет распад угарного газа до атомарного углерода. Получается вода (пар), и углерод в виде отложений:

CO2 + 2H2 → C + 2H2O

Уже из описания реакция видна и основная трудность: реакция идет на катализаторе, который покрывается налетом графита. И что делать?

Чистить, во-первых, сложно и затратно (затратно в космическом смысле: требуется дополнительная аппаратура, и расходники, — и затраты полезной массы на это оказываются больше, чем выигрыш в сохраненном кислороде).

Во-вторых, эти чистки должны быть очень частыми — если в экипаже трое, то в день на катализатор должно осесть 1 кг графита.

III поколение — свежее


Американцы же с самого начала решили делать не реакцию Боша, а реакцию Сабатье. Часто ее называют реактором Сабатье, поскольку для реакции требуется не только высокая температура, но и повышенное давление.

Реакция идет на катализаторе, в углекислый газ добавляется водород, то есть реагенты аналогичны реакции Боша, — а вот выход у реакции другой:

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O

вода и метан.

Технологическое преимущество Сабатье перед Боша в том, что все продукты газообразные, и с ними легко работать дальше. В том варианте, который сейчас доставили на МКС, метан просто выбрасывается наружу (как в системах 2-го поколения наружу выбрасывается углекислый газ).
Но есть и минус. Вспомним, откуда на станции берется новый кислород. Разложением воды.
Кислород идет в дело, а водород (в системах 2-го поколения) просто выбрасывается за борт. Теперь же мы можем (и должны! откуда-то же надо брать водород для реакции) использовать этот водород, направив в реактор Сабатье.

И тут нюанс. В воде на 1 атом кислорода приходится 2 атома водорода. А в реакции Сабатье на 1 атом кислорода должно приходиться 4 атома водорода (2 идет на то, чтобы заместить связь кислорода с углеродом, а к этому оторванному кислороду лепятся еще 2 водорода, образуя воду).

Таким образом, если опираться только на электролиз воды и реактор Сабатье, цикл по кислороду можно закрыть лишь на 50%. Половину CO2 можно переработать, а для оставшейся части — водорода уже нет.

Блок-схема после добавления реактора Сабатье

(Если вы чуть сбиты на этом моменте, не расстраивайтесь. Даже составители первых пресс-релизов на сайте ESA не сразу сообразили, что к чему, и сначала рисовали неправильные блок-схемы и валили все на недоэффективность катализатора.)

В реальности, конечно, пока получается не теоретические 50%, а поменьше, около 40%. В начале статьи показан только сам реактор Сабатье, элемент нововведения — на блок-смехе это вокруг зеленой стрелки.

Вся же система целиком гораздо крупнее, — как и та, что была у американцев штатной до этого. На полный объем научной стойки, в полтонны.

Герст изображает, будто его завалило тонной железа

Перспективы IV поколения — развитие III поколения?


Сразу напрашивается вопрос: а почему бы не использовать дополнительный водород? Доставленный на МКС помимо воды, которую мы пустим на электролиз?

В самом деле. Рассмотрим ту часть CO2, которую приходится выбрасывать в вакуум. На каждые 12 масс углерода мы теряем 32 массы кислорода. А если мы добавим в реактор недостающего водорода, и свяжем углерод в CH4, то кислород сохранится на станции, а в выхлопе мы потеряем только 4 массы водорода. Выигрыш по массе в 32:4=8 раз. 1 кг водорода спас бы целых 8 кг кислорода!

Проблема в том, что водород — не вода. Это для транспортировки воды можно использовать обычные контейнеры. Для простоты, положим на тару 1/10 веса доставленной воды.

В случае же с водородом, хоть сжатым, хоть сжиженным, все прямо наоборот: соотношение массы тары, к массе заключенного в ней водорода, будет ~10/1.

Мы не можем доставить на МКС просто килограмм водорода. Мы еще должны поднять 10 килограммов его тары.

Не говоря уже о том, что потребуется попутно решать проблемы безопасности: при хранении водорода есть штатная утечка у вентилей (если доставлять как газ), и аналогичный сброс у контейнеров (если сжиженный), из-за необходимости поддерживать низкую температуру внутри. Помимо опасности, эти утечки еще делают невозможным длительное хранение про запас. Стравливаемый водород надо либо сразу использовать, либо безвозвратно терять.

В итоге получается, что проще (и экономичнее) будет доставить на МКС не дополнительный водород для реактора Сабатье, — а дополнительную воду для электролиза. И работать в наполовину замкнутом цикле, сбрасывая лишний углекислый газ в вакуум.

Перспективы IV поколения — иное развитие от II поколения


Пока речь шла о замыкании системы только по кислороду. Углерод рассматривался как бесполезный элемент, неизбежно поступающий в систему (через дыхание людей) из еды. Массозатраты на еду, постоянно вводимую в цикл регенерации воздуха, мы не учитывали.

А что, если все-таки попробовать сохранять и углерод? Что, если выделять из углекислого газа кислород, связывая углерод не в метан, а в углеводы?

Углеводы, если смотреть только на количество составляющих химических элементов, это приблизительно равная смесь углерода и воды.

Вспомним атомные массы участников: водород — 1, углерод — 12, кислород — 16.

Давайте сравним эффективность рассмотренных способов связывания углерода, с точки зрения сбрасываемой в вакуум массы вещества (которое до этого надо поднять на станцию с земли!):

  1. При сбросе всего CH4 за борт (и туда же отправляется водород от электролиза), мы теряем две молекулы воды на каждый атом углерода, то есть на 1 массу углерода 3 массы воды.
  2. При реакции Сабатье (из-за нехватки водорода) мы теряем по молекуле воды на каждый атом углерода, то есть на 1 массу углерода 1,5 массы воды
  3. При переводе в углеводы, мы расходуем по молекуле воды на каждый атом углерода, то есть на 1 массу углерода 1,5 массы воды.

Как видим, у цикла электролиз+Сабатье эффективность такая же, как у цикла электролиз+углеводы.

Но! При реакции Сабатье мы сбрасываем это вещество со станции, теряем его безвозвратно. А углеводы — их же можно попробовать сделать пригодными в еду?

В пище астронавтов должны присутствовать не только углеводы (для простоты, 400 гр), но и жиры (100 гр) и белки (100 гр). Из-за этого замкнуть цикл по кислороду и питанию, делая из углекислого газа только углеводы, не выйдет. Но заменить хотя бы углеводную часть продуктов? Это 2/3, если по сухому составу!

Тогда итоговый баланс поменяется:

— с одной стороны, мы уменьшаем трату воды в 3 раза по сравнению с циклом через Сабатье (с 560 гр до 165, это на связывание в углеводах того углерода, который пришел из съеденных белков и жиров, его 110 гр; теоретически даже эти 165 граммов воды можно не списывать, а сохранять сахар на борту, но просто он будет не востребованным для цикла, будет копиться запас чистых углеводов),

— плюс к этому, расход еды (по сухому составу) становится меньше на 400 гр на чел/сут (мы замкнули цикл еды по углеводам).

В сумме выигрыш ~700 гр на чел/сут.

Чего ждать


Подводя итог: NASA, ESA видят перспективу в том, чтобы вернуться к предыдущей системе регенерации (через адсорберы без реактора Сабатье) — только теперь при разгрузке адсорбента использовать не открытый вакуум, а лабораторный. Закрытые вакуумные камеры, из которых углекислый газ откачивается и сохраняется, чтобы направить его на проивзодство углеводов.
И остается сущий пустячок: как перевести углекислый газ в углеводы?

  1. Можно попробовать делать это чисто химически. Но это сложно. Если бы это было просто, мы бы уже давно возили сахар и биокорма не с плантаций, а из пристроек к электростанциям.
  2. Можно попробовать делать это биологически, через фотосинтез, — но и тут не все гладко.

Хозяйке на заметку: сколько надо комнатных растений, чтобы можно было никогда не проветривать?
Иногда простые люди, любители домашних растений, вдруг задаются таким вопросом. А доброжелатели предлагают им простыни сбивчивых расчетов — которые начинаются с перемножения справочных данных: средний объем вдоха, среднее число вдохов в минуту, доля углекислого газа в выдыхаемом воздухе… На самом деле, пригодный для практического ума ответ очень прост. И напрочь лишает энтузиазма. Это должна быть плантация такого размера, чтобы вы ежедневно собирали с нее ~800 граммов сухих листьев (на одного человека, в зависимости от того, сколько он ест). А если этих человек шесть или десять? И плантацию надо соорудить не на заднем дворе, а на орбите? А потом разогнать ее к Марсу, а у Марса затормозить, и как-то спустить вниз; и снова поднять, чтобы лететь обратно к Земле?

Здесь планы агенств то ли действительно разошлись, то ли руководства решили поиграть в здоровую конкуренцию, и не складывать все яйца в одну корзину. (Это всегда неплохой вариант, и особенно — когда перед глазами опыт с конкуренцией реакций Сабатье и Боша. Одно взлетело, другое нет.)

NASA объявляет конкурсы с миллионными призами, в которых предлагает произвести сахар чисто химическими путями.

ESA обещает уже в следующем году поднять на МКС бак с водорослями, и скармливать им тот углекислый газ, который сейчас избыточен для реактора Сабатье.

А если с углеводами из углекислоты ничего так и не выйдет?


Еще можно попробовать делать углеводы и водород из метана и воды. NASA выбрало отправной точкой углекислый газ, чтобы поймать двух зайцев: такое решение может пригодиться не только для замыкания цикла регенерации в полете, но и для активного прироста вещества на планете — в атмосфере Марса, где есть CO2. Да и здесь, на Земле, пригодилось бы.

Но скорее всего, схема с реактором Сабатье останется самой эффективной, — и, учитывая реальную скорость прогресса в технологиях пилотируемой космонавтики, на десятилетия.

Сравнительная таблица
поколение метод удаления CO2 потери1
(/чел /сут)
как штатная система как запасная
/дополн.
продув 50 кг O2-сжатого2 скафандры
I шашки с LiOH 1,1 кг воды
1,5 кг шашек
скафандры,
корабли доставки («Союз», будущие американские,
в прошлом шаттлы)
МКС
II молекулярное сито,
выпаривание в вакуум
1,1 кг воды МКС
(в прошлом «Мир»,
Skylab — впервые)
III молекулярное сито,
разложение до графита
03 (экспериментальная,
неудачно)
для «Мира»
III молекулярное сито,
50% в CH4
0,6 кг воды МКС (амер. сегмент)
? молекулярное сито,
в сахара
0,2 кг воды4 /прирост 0,2 кг воды5

1В идеале.
2Без учета тары.
3Без учета расходников на чистку/замену катализатора.
4При объединении с пищевым циклом по углеводам; 5при этом пищевой цикл становится замкнут по углеводам, то есть там массозатрат меньше на 0,4 кг (сухая масса углеводов в еде), что больше потерь воды в воздушном цикле (если рассматривать его потери отдельно от общего балланса), — и формально это можно трактовать как прирост полезной массы (если сравнивать с ситуацией, когда углеводы в пищевой цикл поступают с земли).

Что не было оговорено выше, но полезно понимать для полноты картины


Помимо потерь при регенерации цикла по дыханию (в современных системах это сводится, как видно, к некоторым потерям воды), потеря массы есть и в других циклах, связанных с людьми.

Прежде всего, это туалетный цикл. Даже когда на МКС по максимуму используются системы, пытающиеся замкнуть этот цикл, эффективность этих систем ограничена: из нескольких килограммов воды и еды, вернуть в цикл удается ~80% воды. То есть потери ~1 кг на человека в сутки. (Это не считая тары, в которой идет еда. Не вся она сублимированная в пакетиках. Есть и обычные консервные банки.)

Таким образом, бессмысленно прилагать совсем уж фантастические усилия, пытаясь далее совершенствовать систему регенерации по CO2, — пока не уменьшены потери в туалетном цикле.

Поэтому реальная цель, которую ставят перед собой NASA, это довести замкнутость системы с нынешних 40% до 75%.

Но даже если получится оба этих цикла замкнуть в ноль, или почти в ноль, и это еще не все. Это совсем не будет значить, что человек может полноценно работать в замкнутом цикле по кислороду и воде.

Каждый выход в открытый в космос — неизбежная потеря воды. Она используется для охлаждения скафандра. Хотя на первый взгляд может показаться, что и собственно скафандр, и «рюкзак» системы жизнеобеспечения полностью закрыты термоизоляцией, — нет. Нижний торец «рюкзака», который заканчивается под задницей космонавта, не прикрыт. Это радиатор охладителя, и в радиаторе поры, куда подводится вода внешнего контура — для испарения. За один выход, в зависимости от длительности, теряется ~1-2 кг на участника выхода.
+141
42k 101
Comments 123
Top of the day