Хабрахабр

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

А вот если прогресс будет буксовать, то новая система станет золотым стандартом на десятилетия.
Краткое содержание: Что такое духота: мало кислорода? Однако если с технологическим прогрессом все будет хорошо, то этот вариант просуществует недолго, — и нас ждет откат к системе предыдущего типа. — I поколение систем регенерации воздуха — II поколение — III поколение — Перспективы систем с полной регенерацией — Сравнительная таблица — Нормы НАСА и ВМФ США по содержанию CO2 — Сколько CO2 выделяет человек?

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.

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

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%). При возрастании содержания до 0,7% и далее, игнорировать духоту все сложнее. 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?

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

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

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

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.

И работа у них не менее сложная и ответственная. Подводников гораздо больше, чем космонавтов. 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%.

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. Однако в реальности НАСА старается держать на МКС уровень не выше 0,5%.

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

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

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

Эффективность менее 2%. 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.

I поколение — знаменитые «шашки» для воздуха

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

ниже). 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.

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

2LiOH + CO2 → Li2CO3 + H2O

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

Из-за своей компактности, такая система используется как штатная система во всех современных скафандрах и кораблях-доставщиках («Союз», будущие американские). В реальности — после использования шашка, со всем содержимым, идет в мусор. 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.

Затем на грузовых кораблях добрасывали новых. 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.

Современная американская шашка содержит 3 кг LiOH,

Scrubber

русская 5 кг.

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

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

II поколение — штатный режим МКС

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

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

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

На примере новой системы

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

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

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

Поколение 2.5 — экспериментальное, неудачное

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

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

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.

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. В чем же идея. Получается вода (пар), и углерод в виде отложений:

CO2 + 2H2 → C + 2H2O

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

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.

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

В воде на 1 атом кислорода приходится 2 атома водорода. И тут нюанс. 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).

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

Блок-схема после добавления реактора Сабатье

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.) (Если вы чуть сбиты на этом моменте, не расстраивайтесь.

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

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

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?

Рассмотрим ту часть CO2, которую приходится выбрасывать в вакуум. В самом деле. 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. На каждые 12 масс углерода мы теряем 32 массы кислорода. 1 кг водорода спас бы целых 8 кг кислорода! Выигрыш по массе в 32:4=8 раз.

Это для транспортировки воды можно использовать обычные контейнеры. Проблема в том, что водород — не вода. 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 еще должны поднять 10 килограммов его тары. Мы не можем доставить на МКС просто килограмм водорода.

Помимо опасности, эти утечки еще делают невозможным длительное хранение про запас. 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. Стравливаемый водород надо либо сразу использовать, либо безвозвратно терять.

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

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.

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

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.

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

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

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?

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. Иногда простые люди, любители домашних растений, вдруг задаются таким вопросом. 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). И напрочь лишает энтузиазма. И плантацию надо соорудить не на заднем дворе, а на орбите? А если этих человек шесть или десять? 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.

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. Прежде всего, это туалетный цикл. (Это не считая тары, в которой идет еда. То есть потери ~1 кг на человека в сутки. Есть и обычные консервные банки.) Не вся она сублимированная в пакетиках.

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%.

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

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

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть