Когда мы собираемся на пикник за город, то обычно берем с собой воду и еду в количестве суточной нормы на одного человека (с небольшим запасом), умноженное на число участников мероприятия. В случае многодневного похода объем запасов еще нужно умножить на продолжительность «экспедиции», но в отношении воды это не всегда так: чаще всего туристы надеются найти какие-нибудь ее местные источники — колодцы, реки, озера. Также не помешает и набор медикаментов для скорой помощи при ранениях, ожогах и отравлениях. И даже если поход организуется летом, не лишней будет теплая одежда.
Усложним задание: мы отправляемся в горы, где давление воздуха уже недостаточно для нормального дыхания при физических нагрузках, а значит, кислород тоже нужно брать с собой в баллонах в сжатом виде. Воду там можно добыть из ледников, но для этого необходимо взять топливо, горелку и соответствующую посуду. К еде и теплой одежде добавляется альпинистское снаряжение. Наверно, все видели фотографии и кинокадры с огромными рюкзаками, которые должны тянуть альпинисты. А теперь представьте, что все это снаряжение вместе с запасами пищи и кислорода минимум на полгода нужно поднять на высоту почти 400 км и разогнать до первой космической скорости — и вы поймете, почему проектировщики Международной космической станции заложили в ее конструкцию возможность повторного использования максимально возможного количества ресурсов.
«Герметичная» жизнь
Без еды человек может прожить примерно месяц, без воды — максимум неделю, без воздуха — считанные минуты. Главная жизненно необходимая составляющая воздуха — химический элемент кислород в виде двухатомных молекул O₂. Его там, на первый взгляд, не так уж и много — всего 21%. В истории нашей планеты были эпохи, когда концентрация кислорода в атмосфере превышала 25%. Хотя на самом деле главным показателем здесь является не концентрация, а так называемое парциальное давление. Если оно снижается до 10 кПа, то есть до половины его «обычного» значения (что соответствует высоте приблизительно 5800 м над уровнем моря), нормальное дыхание для подавляющего большинства людей становится невозможным.
Массовые воздушные путешествия на крейсерских высотах более 10 км теперь возможны благодаря тому, что салоны авиалайнеров делают максимально герметичными, а все неизбежные потери внутреннего давления компенсируются «подкачкой» забортного воздуха (хотя во время полета давление там все равно снижается, но не до «внешних» значений). На рассвете авиации пилоты первых высотных самолетов обязательно брали с собой баллоны со сжатым кислородом и активно их использовали, а после исчерпания его запасов должны были опускаться на высоту менее 6 км, чтобы избежать повреждения мозга от кислородного голодания.
В 1931 году швейцарский ученый Огюст Пикар (Auguste Antoine Piccard) начал первые эксперименты со стратостатами — высотными аэростатами. Уже 27 мая вместе с ассистентом Паулем Кипфером (Paul Kipfer) ему удалось достичь высоты 15 785 м. Полет производился в полностью герметичной кабине (гондоле), имевшей форму сферы диаметром 2,1 м. Стратосферные путешественники взяли з собой не только запасы сжатого воздуха: на борту гондолы также находились специальные патроны с гидроксидом лития LiOH для поглощения углекислого газа. При отсутствии поглотителей этот газ, выделяемый во время дыхания, начал бы накапливаться в замкнутом пространстве, а его повышенная концентрация тоже оказывает нежелательное влияние на человеческий организм — вплоть до головокружения и потери сознания.
В Советском Союзе полеты Пикара вызвали повышенное внимание, и уже 30 сентября 1933 года стратостат «СССР-1» конструкции Константина Годунова совершил подъем на высоту 19 км, что стало новым мировым рекордом. Экипаж, в составе которого был сам Годунов, а также опытные военные воздухоплаватели Эрнест Бирнбаум и Георгий Прокофьев, совершил успешную посадку возле подмосковного города Коломна. Кроме исследователей, гондола несла большой груз научных приборов для изучения верхней атмосферы и космических лучей, а также баллоны с кислородом и запасы гашеной извести (гидроксида кальция) — его решили использовать как самый дешевый и достаточно эффективный поглотитель углекислого газа.
Опыт конструкторов стратостатов пригодился при создании первых советских космических кораблей серий «Восток» и «Восход». Правда, в их системе регенерации воздуха роль поглотителя выполнял не гидроксид кальция, а пероксид натрия Na₂O₂ и гипероксид калия KO₂. Эти соединения, несмотря на высокую стоимость и опасность, имеют одно очень важное преимущество: при поглощении углекислого газа и водяного пара они выделяют дополнительный кислород. От баллонов со сжатым газом также не отказались, но теперь в них содержалась кислородно-азотная смесь для компенсации возможных потерь при разгерметизации. Система позволяла в течение 10 суток поддерживать внутри сферического посадочного аппарата условия, пригодные жизни одного человека.
Принципиально иной была система жизнеобеспечения первых американских кораблей Mercury и Gemini. Их герметичное пространство заполнялось чистым кислородом под давлением 246 мм ртутного столба (32,8 кПа). Его потери компенсировались из баллонов, одновременно служивших для «питания» топливных элементов — каталитических реакторов, производящих электрический ток при реакции кислорода и водорода. Продуктом этой реакции является вода, используемая для питья и в ограниченном объеме для бытовых нужд. Углекислый газ поглощался гидроксидом лития.
Долговременные полеты
Куда же в таком случае девались жидкие и твердые отходы человеческой жизнедеятельности? Собственно, до поры до времени их никуда и не девали. Пока космические полеты продолжались меньше недели, космонавты и астронавты пользовались своеобразными «космическими памперсами» со сменными вкладками, способными поглотить большой объем жидкости и нейтрализовать нежелательные запахи. Но уже для кораблей следующего поколения «Союз», для которых планировалось автономное пребывание в космосе длительностью до 20 суток (с экипажем из двух человек), была разработана специальная система удаления и складирования отходов со сменными насадками, позволявшими пользоваться ею как мужчинам, так и женщинам. Она устанавливалась в бытовом отсеке и в стандартном исполнении могла обслуживать троих космонавтов в течение 5 суток. При сходе с орбиты этот отсек отделялся и вместе со всей «начинкой» сгорал в земной атмосфере. Посадочный аппарат оснащался дополнительным двухлитровым мочеприемником. После посадки собранные отходы выгружались и образцы отбирались для анализов.
Конструкторы лунных кораблей Apollo снова пошли другим путем. Одной из их задач было максимально облегчить космический аппарат, чтобы уменьшить количество топлива, необходимого для маневров вблизи Луны. Поэтому моча астронавтов через специальную систему клапанов (ее целью было предотвращение разгерметизации корабля) сразу «выливалась» в открытый космос. Вообще «аполлоновские туалеты» оказались настолько неудобными, что экипаж старался пользоваться ими как можно реже, иногда даже с последствиями для здоровья. Инженеры NASA понимали, что для длительных орбитальных полетов им нужно изобрести нечто более совершенное, и результатом их усилий стала санитарная система станции Skylab — наилучшая в то время.
Благодаря тому, что станцию выводили на орбиту с помощью самой мощной ракеты Saturn V, весовые ограничения, которыми руководствовались ее конструкторы, были не слишком суровыми. Астронавты получили в свое распоряжение удобный туалет и даже душ, к тому же во время запуска Skylab на ее борту уже находилось три кубометра воды, а потом ее запасы еще пополняли кораблями, на которых прибывали экспедиции посещения. Поэтому «водного дефицита» первый американский космический форпост не испытывал — даже с учетом того, что вода использовалась для охлаждения скафандров во время выходов в открытый космос. Так же решили и проблему запасов кислорода для дыхания. Но система удаления углекислого газа на новой орбитальной станции полностью отличалась от предыдущих.
Из опыта изучения обмена веществ в человеческом организме было известно, что при умеренных физических нагрузках в сутки человек потребляет почти килограмм кислорода (точнее, 950 г) и выделяет при этом 1,3 кг углекислого газа. Чтобы его поглотить, необходимо 720 г гидроксида лития — из всех поглотителей он имеет наименьшую массу при той же адсорбирующей способности. Несложно подсчитать, что для обеспечения пребывания в космическом аппарате экипажа из трех астронавтов в течение двух месяцев необходимо 130 кг LiOH (а планировались и более длительные миссии). Конструкторы увидели здесь возможность экономии массы. Вместо множества патронов с гидроксидом или пероксидом они установили на Skylab два контейнера с цеолитом — веществом, также способным поглощать СO₂, но затем выделять его при снижении давления. Эти емкости работали «попеременно»: пока одна была подключена к внутреннему пространству станции, очищая воздух от примесей, вторую «открывали» в космическое пространство, и она избавлялась от поглощенных газов, выделяя их в вакуум.
Похожее устройство для удаления углекислоты установили на станции «Мир», а сейчас аналогичные цеолитные поглотители работают на МКС. Но они все еще не обеспечивают повторного использования жизненно важных ресурсов. Первая настоящая система рециркуляции заработала в космосе в январе 1975 года на советском «Салюте-4».
«Космический источник»
Вторым жизненно важным ресурсом является вода. Только для питья среднестатистический человек тратит ее 2,5 кг в сутки. Но часть ее потом возвращается в газообразном состоянии — во время дыхания и при испарении пота. Эту часть рециркулировать проще всего: нужно лишь охладить воздух, чтобы водяной пар из него сконденсировался. Именно такой холодильник-конденсатор и установили на «Салют-4» (он имел обозначение СРВ-К — «система регенерации воды конденсационная»).
Работу прибора сильно усложняла невесомость. Во-первых, в таких условиях не происходит конвекция (образование тепловых газовых потоков), поэтому к конденсатору прилагалась система искусственной продувки. Во-вторых, в отсутствие силы тяжести полученная вода не стекала с охлажденных поверхностей самостоятельно, и ее тоже приходилось «сдувать». Но система доказала свою эффективность, позволяя регенерировать до трети водных расходов. После очистки специальными фильтрами конденсат использовали для питья.
Усовершенствованные версии водных конденсаторов работали на всех последующих станциях серии «Салют» и на многоцелевом орбитальном комплексе «Мир». Есть они и на Международной космической станции. Вообще, опыт «Мира» в развитии систем жизнеобеспечения космонавтов оказался очень ценным и широко используется до сих пор. Среди прочего там испытывались (достаточно успешно) устройства для регенерации технической воды и восстановления ее из мочи. В первом случае применялась фильтрация и ионный обмен с использованием реагентов, привезенных с Земли, во втором — испарение при пониженном давлении с последующей конденсацией водяного пара и выбрасыванием концентрированного остатка в забортное пространство.
Таким путем на станции «Мир» удалось довести показатель повторного использования воды до 70%, и это было признано достаточным, чтобы опробовать еще одну технологию — генерацию кислорода из водных растворов путем электролиза. Образовывавшийся как побочный продукт водород «отсеивали» с помощью молекулярных мембран и тоже выбрасывали в космос.
В наше время на МКС применяются все упомянутые технологии — испарение и конденсация, цеолиты, мембраны, а также ионный обмен. Благодаря этому степень рециркуляции воды достигает 93%. Часть ее поступает в российскую систему «Электрон-ВМ» и американскую OGS, где из нее добывается кислород. Это позволяет уменьшить суммарную массу жизненно важных материалов, ежегодно доставляемых на станцию грузовыми кораблями, примерно на три тонны. Регенерация мочи сейчас производится только в американском сегменте орбитального комплекса, поэтому его обитатели поощряют российских космонавтов пользоваться их туалетом. И, конечно же, на станции есть запас воды объемом более двух тысяч литров — на случай проблем со снабжением с Земли.
Дальнейшие планы инженеров NASA связаны с установкой на МКС реактора Сабатье — он позволит не выбрасывать в космос «молекулу кислорода» в составе углекислого газа, а с помощью водорода (уже упомянутого побочного продукта извлечения кислорода из воды) восстанавливать его до метана в реакции CO₂+4H₂=CH₄+2H₂O, протекающей на специальном катализаторе при 500°C. Полученный метан в перспективе можно будет использовать как горючее для реактивных двигателей станции.
Далеко ли до полной независимости?
Несложно заметить, что все существующие системы рециркуляции имеют существенный недостаток — они по-прежнему зависят от вспомогательных материалов, которые нужно регулярно доставлять с родной планеты. Полностью замкнутая система жизнеобеспечения должна максимально полно воспроизводить земную экосистему, то есть включать в себя растения, генерирующие кислород в процессе фотосинтеза, а также грибы и бактерии для переработки органических отходов человеческого организма (как мы уже знаем, наиболее эффективно такая переработка осуществляется в присутствии некоторых насекомых). На самом деле ученые до сих пор не исследовали во всех тонкостях, как эти процессы происходят на Земле и можно ли какими-то из них безболезненно пренебречь — об этом свидетельствует неудача двух экспериментов в комплексе Biosphere-2, где восемь человек должны были прожить более года в условиях полной изоляции от окружающей среды. Причем этот комплекс имел гораздо больший объем, чем МКС, включал в себя много компонентов экосистемы и находился под влиянием «стандартной» земной гравитации.
Даже если на космическом аппарате химическими методами удастся реализовать полную рециркуляцию кислорода и воды, остается еще третий важный компонент жизнеобеспечения, то есть пища. Ее человек потребляет в среднем 1,75 кг в сутки, и практически все это потребление в космосе сейчас обеспечивается поставками с Земли. Понятно, что в условиях межпланетного перелета это невозможно. Для путешествия на Марс продолжительностью 200 суток (минимально возможной с использованием имеющихся реактивных двигателей, и это в один конец!) экипажу из четырех астронавтов придется взять с собой около полутора тонн пищевых продуктов.
Единственная альтернатива этому при нынешних технологиях — выращивание собственных продуктов в оранжереях на борту межпланетного корабля. Такие эксперименты в космосе продолжаются еще с 60-х годов прошлого века, но первым растением, выросшим и давшим семена за пределами атмосферы, стала в 1982 году резушка Таля (Arabidopsis thaliana), высаженная в оранжерее на станции «Салют-7». На МКС постоянно ведутся опыты по выращиванию салата, капусты, редиса, подсолнечников. «Космическая зелень» вносит свой вклад в очистку внутренней среды станции от углекислого газа и насыщение ее кислородом. Но все эти опыты не преследуют цель полноценно обеспечить экипаж продуктами питания, тем более, что культивируемые растения не содержат всех необходимых человеку питательных веществ и микроэлементов.
Поэтому специалисты по экологии и системам жизнеобеспечения пока скептически смотрят на планы создания долговременного поселения на Марсе, несмотря на то, что там уже найдены большие залежи водяного льда (с Луной ситуация немного лучше — снабжение лунной базы с Земли организовать значительно проще, и полет туда продолжается всего несколько дней). Однако это не ставит крест на будущих путешествиях к соседним планетам. Современные технологии развиваются в разных направлениях: может быть, уже скоро мы получим новые двигатели, позволяющие существенно увеличить скорости и массы межпланетных кораблей, а возможно, мы научимся составлять оптимальную «молекулярную диету» для астронавтов, и им не придется брать с собой слишком большие запасы еды. Также не исключено, что большую часть перелета они будут проводить в состоянии анабиоза, потребляя минимум кислорода и питательных веществ. Но, конечно, все энтузиасты космонавтики надеются на то, что когда-нибудь за пределами земной атмосферы появится небольшой «кусочек Земли» — с привычным азотно-кислородным воздухом комнатной температуры, ручьями, озерами, растительностью и даже домашними животными. Неважно, где его создадут — на Луне, Марсе, астероиде или прямо внутри большого межпланетного лайнера. Главное, что он будет означать очередной важный шаг человечества в глубины Вселенной.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
