На шляху до замкненої системи. Як МКС переробляє повітря та воду

Коли ми збираємося на пікнік за місто, то зазвичай беремо з собою воду та їжу в кількості добової норми на одну особу (з невеликим запасом), помножену на число учасників заходу. У випадку багатоденного походу кількість припасів ще треба помножити на тривалість «експедиції», але стосовно води це не завжди так: найчастіше туристи сподіваються знайти якісь її місцеві джерела — криниці, річки, озера. Також не завадить і певний набір медикаментів для швидкої допомоги при пораненнях, опіках і отруєннях. І навіть якщо похід відбувається влітку, не зайвим буде теплий одяг.

Ускладнимо завдання: ми вирушаємо в гори, де тиск повітря вже недостатній для нормального дихання при фізичних навантаженнях, а отже, кисень теж потрібно брати з собою в балонах у стисненому вигляді. Воду там можна добути з льодовиків, але для цього необхідно взяти паливо, пальник і відповідний посуд. До їжі й теплого одягу додається альпіністське спорядження. Мабуть, усі бачили фотографії та кінокадри з величезними наплічниками, які мусять тягти альпіністи. А тепер уявіть, що все це спорядження разом із запасами їжі та кисню мінімум на пів року треба підняти на висоту майже 400 км і розігнати до першої космічної швидкості — і ви зрозумієте, чому проєктанти Міжнародної космічної станції заклали в її конструкцію можливість повторного використання максимально можливої кількості ресурсів.

«Герметичне» життя

Без їжі людина може прожити приблизно місяць, без води — максимум тиждень, без повітря — лічені хвилини. Головна життєво необхідна складова повітря — хімічний елемент кисень (оксиген) у вигляді двохатомних молекул O₂. Його там, на перший погляд, не так уже й багато — лише 21%. В історії нашої планети були епохи, коли концентрація кисню в атмосфері перевищувала 25%. Хоча насправді головним показником тут є не концентрація, а так званий парціальний тиск. Якщо він знижується до 10 кПа, тобто до половини його «звичайного» значення (що відповідає висоті приблизно 5800 м над рівнем моря), нормальне дихання для переважної більшості людей стає неможливим.

Масові повітряні подорожі на крейсерських висотах понад 10 км тепер можливі завдяки тому, що салони авіалайнерів роблять максимально герметичними, а всі неминучі втрати внутрішнього тиску компенсуються «підкачуванням» забортного повітря (хоча під час польоту тиск там все одно знижується, але не до «зовнішніх» значень). На світанку авіації пілоти перших висотних літаків обов’язково брали з собою балони зі стисненим киснем і активно їх використовували, а після вичерпання його запасів мусили опускатися на висоту менше 6 км, щоб уникнути пошкодження мозку від кисневого голодування.

Старт висотного аеростата Огюста Пікара

У 1931 році швейцарський вчений Огюст Пікар (Auguste Antoine Piccard) розпочав перші експерименти зі стратостатами — висотними аеростатами. Вже 27 травня разом з асистентом Паулем Кіпфером (Paul Kipfer) йому вдалося досягти висоти 15 785 м. Політ здійснювався у повністю герметичній кабіні (гондолі), що мала форму сфери діаметром 2,1 м. Стратосферні мандрівники взяли з собою не лише запаси стисненого кисню: на борту гондоли також знаходилися спеціальні патрони з гідроксидом літію LiOH для поглинання вуглекислого газу. За відсутності поглиначів цей газ, який людина виділяє під час дихання, почав би накопичуватись у замкненому просторі, а його підвищена концентрація теж чинить небажаний вплив на людський організм — аж до запаморочення та втрати свідомості.

В СРСР польоти Пікара викликали підвищену увагу, і вже 30 вересня 1933 року стратостат «СССР-1» конструкції Костянтина Годунова здійснив підйом на висоту 19 км, що стало новим світовим рекордом. Екіпаж, у складі якого був сам Годунов, а також досвідчені військові повітроплавці Ернест Бірнбаум і Георгій Прокофьєв, здійснив успішну посадку біля підмосковного міста Коломна. Крім дослідників, гондола несла великий вантаж наукових приладів для вивчення верхньої атмосфери та космічних променів, а також балони з киснем і запаси гашеного вапна (гідроксиду кальцію) — його вирішили використати як найдешевший і достатньо ефективний поглинач вуглекислого газу.

Екіпаж першого радянського стратостату

Досвід конструкторів стратостатів знадобився під час створення перших радянських космічних кораблів серії «Восток» і «Восход». Щоправда, в їхній системі відновлення повітря роль поглинача виконував не гідроксид кальцію, а пероксид натрію Na₂O₂ та гіпероксид калію KO₂. Ці сполуки, попри свою високу вартість і небезпечність, мають одну дуже важливу перевагу: під час поглинання вуглекислого газу та водяної пари вони виділяють додатковий кисень. Від балонів зі стисненим газом теж не відмовились, але тепер у них містилася киснево-азотна суміш для компенсації можливих втрат при розгерметизації. Система дозволяла протягом 10 діб підтримувати всередині сферичного посадкового апарата умови, придатні для життя однієї людини.

Принципово іншою була система життєзабезпечення перших американських кораблів Mercury та Gemini. Їхній герметичний простір заповнювався чистим киснем під тиском 246 мм ртутного стовпчика (32,8 кПа). Його втрати компенсувалися з балонів, які одночасно слугували для «підживлення» паливних елементів — каталітичних реакторів, що виробляють електричний струм при сполученні кисню та водню. Продуктом цієї реакції є вода, яку використовували для пиття та в обмеженому об’ємі для побутових потреб. Вуглекислий газ поглинався гідроксидом літію.

Довготермінові польоти

Куди ж у такому разі дівалися рідкі та тверді відходи людської життєдіяльності? Власне, до певного часу їх нікуди й не дівали. Поки космічні польоти тривали менше тижня, космонавти й астронавти користувалися своєрідними «космічними памперсами» зі змінними вкладками, здатними поглинути великий об’єм рідини та нейтралізувати небажані запахи. Але вже для кораблів наступного покоління «Союз», для яких планувалось автономне перебування в космосі тривалістю до 20 діб (з екіпажем із двох осіб), була розроблена спеціальна система видалення та складування відходів, яка мала змінні насадки, що дозволяли користуватися нею як чоловікам, так і жінкам. Вона встановлювалась у побутовому відсіку й у стандартному виконанні могла обслуговувати трьох космонавтів протягом 5 діб. При сходженні з орбіти цей відсік відділявся і разом з усім «начинням» згоряв у земній атмосфері. Посадковий апарат оснащувався додатковим дволітровим сечоприймачем. Після посадки зібрані відходи вивантажувались і їхні зразки відбиралися для аналізів.

Туалет станції Skylab. Джерело: NASA

Конструктори місячних кораблів Apollo знову пішли іншим шляхом. Одним із їхніх завдань було максимально полегшити космічний апарат, щоб зменшити кількість палива, потрібного для маневрів поблизу Місяця. Тому сеча астронавтів через спеціальну систему клапанів (її метою було запобігання розгерметизації корабля) відразу «виливалась» у відкритий космос. Взагалі «аполлонівські туалети» виявилися настільки незручними, що екіпаж намагався користуватися ними якомога рідше, часом навіть із наслідками для здоров’я. Інженери NASA розуміли, що для тривалих орбітальних польотів їм треба винайти щось більш досконале, і результатом їхніх зусиль стала санітарна система станції Skylab — найкраща на той час.

Завдяки тому, що станцію виводили на орбіту за допомогою найпотужнішої ракети Saturn V, вагові обмеження, якими керувалися її конструктори, були не дуже суворими. Астронавти отримали у своє розпорядження зручний туалет і навіть душ, до того ж під час запуску Skylab на її борту вже було три кубічних метри води, а потім її запаси ще поповнювали за допомогою кораблів, на яких прибували експедиції відвідування. Тому «водного дефіциту» перший американський космічний форпост не зазнав — навіть з урахуванням того, що вода використовувалася для охолодження скафандрів під час виходів у відкритий космос. Так само вирішили й проблему запасів кисню для дихання. Але система видалення вуглекислого газу нової орбітальної станції повністю відрізнялася від попередніх.

Санітарна система американських багаторазових кораблів Space Shuttle. Джерело: NASA

З досвіду вивчення обміну речовин у людському організмі було відомо, що за помірних фізичних навантажень упродовж доби людина споживає майже кілограм кисню (точніше, 950 г) і виділяє при цьому 1,3 кг вуглекислого газу. Щоб його поглинути, необхідно 720 г гідроксиду літію — з усіх поглиначів він має найменшу масу за тої самої адсорбуючої здатності. Неважко підрахувати, що для забезпечення перебування в космічному апараті екіпажу з трьох астронавтів протягом двох місяців необхідно 130 кг LiOH (а планувалися й більш тривалі місії). Конструктори побачили тут можливість економії маси. Замість багатьох патронів із гідроксидом або пероксидом вони встановили на Skylab два контейнери з цеолітом — речовиною, що також має здатність поглинати СO₂, але потім виділяти його при зниженні тиску. Ці ємності працювали «позмінно»: поки одна була під’єднана до внутрішнього простору станції, очищуючи повітря від домішок, другу «відкривали» в космічний простір, і вона позбавлялася від поглинутих газів, виділяючи їх у вакуум.

Схожий пристрій для видалення вуглекислоти встановили на станції «Мир», а зараз аналогічні цеолітні поглиначі працюють на МКС. Але вони ще не забезпечують повторного використання життєво важливих ресурсів. Перша справжня система рециркуляції запрацювала у космосі в січні 1975 року на радянському «Салюті-4».

«Космічне джерело»

Другим життєво важливим ресурсом є вода. Лише для пиття середньостатистична людина витрачає її 2,5 кг на добу. Але частина її потім «повертається» у газоподібному стані — під час дихання та випаровування поту. Цю частину рециркулювати найлегше: треба лише охолодити повітря, щоб водяна пара з нього сконденсувалася. Саме такий холодильник-конденсатор і встановили на «Салют-4» (він мав позначення СРВ-К — «система регенерації води конденсаційна»).

Роботу приладу сильно ускладнювала невагомість. По-перше, у ній не відбувається конвекція (утворення теплових газових потоків), тому до конденсатора додавалася система штучної продувки. По-друге, за відсутності сили тяжіння отримана вода не стікала з охолоджених поверхонь самостійно, і її теж доводилося «здувати». Але система довела свою ефективність, дозволяючи регенерувати до третини водних витрат. Після очищення спеціальними фільтрами конденсат використовували для пиття.

Туалет американського сегмента МКС. Джерело: NASA

Вдосконалені версії водних конденсаторів працювали на всіх подальших станціях серії «Салют» і на багатоцільовому орбітальному комплексі «Мир». Є вони й на Міжнародній космічній станції. Взагалі досвід «Миру» в розвитку систем життєзабезпечення космонавтів виявився дуже цінним і широко використовується досі. Серед іншого там випробовувалися (досить успішно) пристрої для регенерації технічної води та її відновлення з сечі. В першому випадку застосовувалася фільтрація та іонний обмін з використанням реагентів, привезених із Землі, в другому — випаровування за  зниженого тиску з подальшою конденсацією водяної пари та викиданням концентрованого залишку в забортний простір.

Таким шляхом на станції «Мир» вдалося довести показник повторного використання води до 70%, і це було визнано достатнім, щоб випробувати ще одну технологію — генерацію кисню з водних розчинів шляхом електролізу. Водень, що утворювався як побічний продукт, «відсіювали» з допомогою молекулярних мембран і теж викидали у космос.

Астронавти Скотт Келлі та Террі Віртс (Scott Kelly, Terry Virts) здійснюють заміну вентиляторів в одному з двох блоків видалення вуглекислого газу з атмосфери МКС. Джерело: NASA

У наші часи на МКС застосовуються всі згадані технології — випаровування та конденсація, цеоліти, мембрани, а також іонний обмін. Завдяки цьому ступінь рециркуляції води сягає 93%. Частина її надходить в російську систему «Электрон-ВМ» і американську OGS, де з неї видобувається кисень. Це дозволяє зменшити сумарну масу життєво важливих матеріалів, які щорічно доправляються на станцію вантажними кораблями, приблизно на три тонни. Регенерація сечі зараз здійснюється лише в американському сегменті орбітального комплексу, тому його мешканці заохочують російських космонавтів користуватися їхнім туалетом. І, звичайно ж, на станції є запас води об’ємом понад дві  тисячі літрів — на випадок проблем із постачанням з Землі.

Командир експедиції МКС-25 астронавт NASA Дуг Вілок (Doug Wheelock) займається встановленням експериментального реактора Сабатьє. Джерело: NASA

Подальші плани інженерів NASA пов’язані з встановленням на МКС реактора Сабатьє — він дозволить не викидати в космос «молекулу кисню» у складі вуглекислого газу, а з допомогою водню (вже згадуваного побічного продукту добування кисню з води) відновлювати його до метану за реакцією CO₂+4H₂=CH₄+2H₂O, що протікає на спеціальному каталізаторі при 500°C. Отриманий метан у перспективі можна буде використовувати як паливо для реактивних двигунів станції.

Чи далеко до повної незалежності?

Неважко помітити, що всі існуючі системи рециркуляції мають суттєвий недолік — вони досі залежать від допоміжних матеріалів, які потрібно регулярно доправляти з рідної планети. Повністю замкнена система життєзабезпечення мала би максимально повно відтворювати земну екосистему, тобто включати в себе рослини, що генерували би кисень у процесі фотосинтезу, а також гриби та бактерії для перероблення органічних відходів людського організму (як ми вже знаємо, найефективніше така переробка здійснюється з залученням деяких комах). Насправді вчені досі не дослідили у всіх тонкощах, як ці процеси відбуваються на Землі й чи можна якимись із них безболісно знехтувати — про це свідчить невдача двох експериментів у комплексі Biosphere-2, де восьмеро людей мали прожити понад рік в умовах повної ізоляції від навколишнього середовища. Причому цей комплекс мав значно більший об’єм, ніж МКС, містив у собі багато компонентів екосистеми та перебував під впливом «стандартної» земної гравітації.

Навіть якщо для космічного апарата хімічними методами вдасться реалізувати повну рециркуляцію кисню та води — залишається ще третій важливий компонент життєзабезпечення, тобто їжа. Її людина потребує в середньому 1,75 кг на добу, і практично все її споживання в космосі зараз забезпечується постачанням із Землі. Зрозуміло, що в умовах міжпланетного перельоту це буде неможливим. Для подорожі на Марс тривалістю 200 діб (мінімально можливої з використанням наявних реактивних двигунів, і це лише в один кінець!) екіпажу з чотирьох астронавтів доведеться взяти з собою майже півтори тонни харчових продуктів.

Єдина альтернатива цьому за нинішніх технологій — це вирощування власних продуктів в оранжереях на борту міжпланетного корабля. Такі експерименти в космосі тривають ще з 60-х років минулого століття, але першою рослиною, що виросла й дала насіння за межами атмосфери, стала у 1982 році різушка Таля (Arabidopsis thaliana), висаджена в оранжереї на станції «Салют-7». На МКС постійно ведуться досліди з вирощування салату, капусти, редиски, соняшників. «Космічна зелень» робить свій внесок в очищення внутрішнього середовища станції від вуглекислого газу та насичення його киснем. Але всі ці досліди не мають за мету повноцінно забезпечити екіпаж продуктами харчування, тим більше, що культивовані рослини не містять усіх необхідних людині поживних речовин і мікроелементів.

Тому фахівці з екології та систем життєзабезпечення поки скептично дивляться на плани створення довготермінового поселення на Марсі, попри те, що там уже знайдені великі поклади водяного льоду (з Місяцем ситуація трохи краща — постачання місячної бази з Землі організувати значно простіше, і політ туди триває всього кілька днів). Однак це не ставить хрест на майбутніх подорожах до сусідніх планет. Сучасні технології розвиваються в різних напрямах: можливо, вже скоро ми отримаємо нові двигуни, що дозволять суттєво збільшити швидкості та маси міжпланетних кораблів, а можливо — ми навчимося складати оптимальну «молекулярну дієту» для астронавтів, і їм не треба буде брати з собою занадто великі запаси їжі. Також не виключено, що більшу частину перельоту вони проводитимуть у стані анабіозу, споживаючи мінімум кисню та поживних речовин. Але, звичайно, всі ентузіасти космонавтики сподіваються на те, що колись за межами земної атмосфери з’явиться невеличкий «шматочок Землі» — зі звичним азотно-кисневим повітрям кімнатної температури, струмками, озерами, рослинністю та навіть домашніми тваринами. Неважливо, де він буде створений — на Місяці, Марсі, астероїді чи просто всередині великого міжпланетного лайнера. Головне, що він означатиме черговий важливий крок людства в глибини Всесвіту.

Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!

Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine

Невдале дослідження виявило дивну особливість Чумацього Шляху
Наступна місія до Плутона відбудеться не раніше 2050 року
Водні планети на орбітах білих карликів добре підходять для пошуку життя
Телескоп у Південній Америці зазнімкував космічного коропа коі
Астрономи відкрили чотири мінінептуни
Гігантський Магелланів телескоп став на крок ближчий до будівництва
Ракетний ступінь великим планом: японський супутник здійснив історичне зближення з космічним сміттям
Міжзоряний ремонт завершено: Voyager 1 відновив передачу всіх наукових даних
Важливий експеримент: NASA відправила у космос відео та фото з домашніми улюбленцями
Астрономи відкрили у пари зір дивовижні паралельні диски