Kohlendioxid auf der ISS

Im Oktober wurde auf der ISS ein neues (grundsätzlich) Luftregenerationssystem installiert, das die Schließung des Luftkreislaufs verdoppeln wird.



Wenn jedoch mit dem technologischen Fortschritt alles gut läuft, wird diese Option nicht lange dauern und wir werden einen Rollback auf den vorherigen Systemtyp durchführen. Wenn der Fortschritt jedoch ins Stocken gerät, wird das neue System für Jahrzehnte zum Goldstandard.

Zusammenfassung: Was ist Verstopfung: wenig Sauerstoff? - CO ₂ -Standards der NASA und der US Navy - Wie viel CO ₂ emittiert eine Person? - I-Generation von Luftregenerationssystemen - II-Generation - III-Generation - Perspektiven für Systeme mit vollständiger Regeneration - Vergleichstabelle

Was ist Verstopfung?

Jeder weiß, dass Sauerstoff zum Atmen benötigt wird. Viele sind sich sicher, dass die Verstopfung im Raum kommt, weil ein Teil des Sauerstoffs im Raum ausgeatmet wurde; und das Lüften ist notwendig, damit ein neues von der Straße kommt.

In der Tat ist dies nicht so.

Die durchschnittliche Person verbraucht Sauerstoff ~ 1 kg / Tag (oder ~ 1/2 g / Minute).

Um im mittleren Raum (3x5x2,6 = 40) unter normalen Bedingungen (O ₂ -Gehalt _von 0,28 kg / m ³ ) Sauerstoff auf ein niedriges Niveau auszuatmen, so hoch wie in den Bergen, sollte eine Person eine Woche lang atmen.

Wie Sie leicht sehen können, funktioniert es in Wirklichkeit nicht, wenn Sie eine Woche lang im Raum eingemauert sind. Wenn sich eine Person im Schlafzimmer hermetisch schließt, wird sie kaum eine Nacht so verbringen. In ein paar Stunden wird der Schlaf unruhig, es wird ein wachsendes Gefühl von Verstopfung auftreten. Der Tag in einem solchen Raum wird zur Folter - nicht allegorisch, sondern im wahrsten Sinne des Wortes. Körperlich wird eine Person sehr krank.

Es ist nicht Sauerstoff, sondern Kohlendioxid, das eine Person im Gegenzug ausatmet.

Wie viel CO ₂ emittiert eine Person?

In frischer Luft _beträgt der CO ₂ -Gehalt ~ 0,04% (0,5 g / m ³ ).

Mit einer Erhöhung des Gehalts auf 0,7% und mehr wird es immer schwieriger, Verstopfungen zu ignorieren. Dies ist nicht nur ein psychisches Unbehagen, sondern auch spürbare physiologische Veränderungen (von 1%): eine Zunahme der Frequenz und Tiefe der Atmung, eine Zunahme des Drucks, der Herzfrequenz und ein erhöhtes Schwitzen; Die Anzahl der Fehler bei komplexen Arbeiten nimmt zu, Kopfschmerzen beginnen, die maximale Konzentration wird unerreichbar (ab 2%). Experimentieren Sie in zivilen Studien nicht mit Inhalten über 2,5%.

Es ist klar, dass ein Mann nach dem Verzehr von 1 kg O ₂ etwa 1,4 kg CO ₂ ausatmet.


In unserem ummauerten Raum mit einem Volumen von 40 m ³ und anfangs perfekt frischer Luft verdoppelt eine Person den „natürlichen“ CO ₂ -Gehalt in 20 Minuten. Über 20 Mal über Nacht - bis zu 1%. Bis zu 3% pro Tag.

CO ₂ -Standards der NASA und der US Navy

Im irdischen Leben sind solche ummauerten Orte, an denen sich das Fenster nicht öffnet und man viele Tage hintereinander arbeiten muss, U-Boote.

Es gibt viel mehr U-Boote als Astronauten. Und ihre Arbeit ist nicht weniger kompliziert und verantwortungsbewusst. Es gibt also große und qualitativ hochwertige Statistiken.

Bei der Entwicklung von Weltraumregenerationssystemen orientieren sie sich an dieser Erfahrung, aber die Standards für Astronauten sind humaner. Die NASA hat beschlossen, langfristig einen 1/3 Faktor zu verwenden:



Das sind 0,8%.

In Wirklichkeit versucht die NASA jedoch, das ISS-Niveau nicht höher als 0,5% zu halten. Tatsache ist, dass sich einzelne Astronauten selbst auf einer solchen Ebene unwohl fühlen. Psychologen des MCC bemerken, dass sich das Verhalten der Menschen erheblich ändert, auch wenn sie sich selbst nicht beschweren.

Und es entsteht die Notwendigkeit: Wie kann ein niedriges CO ₂ in der Luft aufrechterhalten werden?

0. Generation - weht

Historisch gesehen ist dies die allererste Entscheidung, weil die einfachste.



Es gibt einfach eine allmähliche Sauerstoffspülung der Atmosphäre des Raumanzugs. Das beim Atmen freigesetzte Kohlendioxid wird - zusammen mit dem Rest der Mischung - in das Vakuum freigesetzt. Wo noch viel Sauerstoff zu atmen ist.

Es ist klar, dass dies als reguläres System erst zu Beginn der Weltraumforschung existierte.
Jetzt wird dieses System nur noch als Backup-System in Raumanzügen verwendet. Das heißt, im Falle einer Fehlfunktion des Hauptsystems (siehe unten, der nächsten Generation) oder als Notfallverlängerung in der Zeit, wenn das Hauptsystem bereits erschöpft ist und der Astronaut keine Zeit hatte, zurückzukehren. Die geschätzte Betriebszeit eines solchen Ersatzsystems in einem modernen Raumanzug beträgt eine halbe Stunde.

Um zu verdeutlichen, wie unwirksam ein solches System ist: In dieser halben Stunde werden 1,2 kg Sauerstoff für das Blasen aufgewendet, von denen eine Person 15 bis 20 Gramm absorbiert. Wirkungsgrad weniger als 2%.

Ich Generation - die berühmten "Kontrolleure" für Luft

Dieses Regenerationssystem wurde fast sofort zum wichtigsten - und blieb ein solches Jahrzehnt.

Es wurde sowohl vom ersten Mann auf dem Mond als auch von den letzten Personen auf den Shuttles verwendet (obwohl zu diesem Zeitpunkt auf der ISS und zuvor auf der Mir und sogar auf Skylab die nächste Generation bereits als Standardversion verwendet worden war, siehe unten).

Luft wird in einem geschlossenen Kreislauf ohne Abgabe nach außen angetrieben. Der Sauerstoffverlust wird durch die Tatsache kompensiert, dass Sauerstoff aus den Zylindern (oder später aus der Elektrolyse von Wasser) gemischt wird und Lithiumhydroxidbehälter zur Entfernung von CO _{2 verwendet werden} :

2LiOH + CO ₂ → Li ₂ CO ₃ + H ₂ O.

Kohlendioxid bindet an Lithiumcarbonat. Formal wird bei dieser Reaktion Wasser freigesetzt, das (theoretisch) versucht werden könnte, extrahiert und in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt zu werden, die wieder verwendet werden können.

In Wirklichkeit geht der Prüfer mit seinem gesamten Inhalt in den Papierkorb. Aufgrund seiner Kompaktheit wird ein solches System als Standardsystem in allen modernen Raumanzügen und Lieferschiffen (Sojus, zukünftiger Amerikaner) verwendet. Aufgrund seiner Einfachheit und Zuverlässigkeit wird ein solches System auf der ISS als Ersatz- / Zusatzsystem betrachtet - wenn das reguläre System außer Betrieb ist; wenn zu viele Personen am Bahnhof sind und das Hauptsystem nicht damit fertig wird.

Als die Shuttles noch zur ISS flogen, hatte jeder eine ganze Menge und sie verbrachten mehr Zeit am Bahnhof als der geschätzte Flug des Shuttles - es gab nicht genug zwei Vollzeit-ISS-Systeme (russisch und amerikanisch), sie "verbrannten" ständig ihre Kontrolleure auf dem Shuttle. und dann ein weiterer bedeutender Teil des Bestands an Entwürfen auf der ISS. Dann wurden neue Ladungen auf Frachtschiffe geworfen.

Ein moderner amerikanischer Kontrolleur enthält 3 kg LiOH,



Russisch 5 kg.

Bei Kontrolleuren geht im Idealfall viel weniger unersetzlich verloren: Kohlendioxid, das von Kontrolleuren weggenommen wird; Kontrolleure selbst. (Und wenn Sie Sauerstoff aus Wasser produzieren, dann geht der aus dem Wasser freigesetzte Wasserstoff auch über Bord.)

Gleichzeitig sind die Kontrolleure selbst die größte Gewichtsverschwendung. Ist es irgendwie möglich, ohne Entwürfe auszugeben?

II Generation - regulärer Modus der ISS

Wenn sehr unhöflich, dann ist dies ein fortschrittliches Katzentablett mit einem Füllstoff.

Wir haben eine Substanz, die gut mit Gas gesättigt ist - aber keine, aber abhängig vom Durchmesser des Moleküls. Kohlendioxid wird eingefangen, fast kein Stickstoff und Sauerstoff. Das heißt, vor uns liegt das sogenannte "Molekularsieb". Seit den Tagen von Skylab ist es ein Zeolith .

Damit der Zeolith nicht nass wird (normale Luftfeuchtigkeit an der Station, jede Person atmet täglich einen Liter Wasser aus), wird zuerst die Luft getrocknet. Kühlt sich ab. Und in einer Kammer mit Zeolith serviert.



Es gibt zwei solcher Kameras (im amerikanischen System) oder drei (im russischen). Für eine Weile absorbiert eine der Kammern Kohlendioxid, dann wechselt der Luftstrom zur zweiten. Zu diesem Zeitpunkt wird im ersten ein Vakuum angelegt und der Zeolith erwärmt. Kohlendioxid kommt dabei heraus. Dies ist ein Zyklus. Jetzt können wir die erste Kammer wieder zur Luftreinigung verwenden und die zweite Kammer im Vakuum verwittern.

Idealerweise nehmen Sie nur Kohlendioxid aus der ISS-Atmosphäre. Dies ist Ihr irreparabler Verlust (Sie schicken dieses Gas über Bord) - aber die Adsorbentien selbst werden im Gegensatz zu Katzenschalen oder karierten Systemen wiederholt verwendet. (Nun, natürlich werfen Sie Wasserstoff als Nebenprodukt der Elektrolyse bei der Sauerstoffproduktion immer wieder über Bord.)

Frage: und wenn Kohlendioxid über Bord geworfen wurde, war das schade? Er hat zwei Drittel oder mehr Sauerstoff!

Generation 2.5 - experimentell, erfolglos

Sie versuchten, ein System für Mir zu entwickeln, aber es wurde nichts Gutes daraus.

Einerseits muss man dem Mut der sowjetischen Ingenieure Tribut zollen. Wenn das System funktionieren würde, wäre dies ein vollständiger Abschluss des Kreislaufs durch Sauerstoff.

Auf der anderen Seite kann man sich an den Klassiker erinnern: "Baby, platzst du?" Wenn die Bemühungen auf eine weniger ehrgeizige Aufgabe abzielten (die Amerikaner wurden von Anfang an alle Arbeiten genau an einer weniger ehrgeizigen Aufgabe durchgeführt, obwohl sie viel mehr Ressourcen hatten), hätten die sowjetischen Ingenieure sie möglicherweise perfekt gelöst, und Systeme der dritten Generation wären erfolgreich eingesetzt worden dreißig Jahre alt.

Was ist die Idee. Um Kohlendioxid in Sauerstoff umzuwandeln, kann die sogenannte Bosch-Reaktion verwendet werden: Kohlendioxid wird mit Wasserstoff gemischt, und bei hoher Temperatur wird Kohlendioxid zuerst zu Kohlenmonoxid reduziert, und dann zerfällt Kohlenmonoxid am Katalysator zu atomarem Kohlenstoff. Es stellt sich heraus, Wasser (Dampf) und Kohlenstoff in Form von Ablagerungen:

CO ₂ + 2H ₂ → C + 2H ₂ O.

Bereits aus der Beschreibung ist die Reaktion sichtbar und die Hauptschwierigkeit: Die Reaktion findet auf dem Katalysator statt, der mit einer Graphitbeschichtung bedeckt ist. Und was machen?

Erstens ist die Reinigung schwierig und teuer (im räumlichen Sinne teuer: Zusätzliche Ausrüstung und Verbrauchsmaterialien sind erforderlich - und die Kosten für die Nutzmasse sind höher als der Gewinn an gespeichertem Sauerstoff).

Zweitens sollten diese Reinigungen sehr häufig sein - wenn sich drei im Wagen befinden, sollte sich pro Tag 1 kg Graphit auf dem Katalysator absetzen.

III Generation - frisch

Von Anfang an beschlossen die Amerikaner, keine Bosch-Reaktion, sondern eine Sabatier-Reaktion durchzuführen. Oft wird es als Sabatier-Reaktor bezeichnet, da die Reaktion nicht nur eine hohe Temperatur, sondern auch einen hohen Druck erfordert.

Die Reaktion findet am Katalysator statt, Wasserstoff wird zu Kohlendioxid gegeben, dh die Reagenzien ähneln der Bosch-Reaktion, aber die Reaktion hat eine andere Ausbeute:

CO ₂ + 4H ₂ → CH ₄ + 2H ₂ O.

Wasser und Methan.

Der technologische Vorteil von Sabatier gegenüber Bosch besteht darin, dass alle Produkte gasförmig und leicht zu bearbeiten sind. In der Version, die jetzt an die ISS geliefert wurde, wird Methan einfach weggeworfen (wie in Systemen der 2. Generation wird Kohlendioxid weggeworfen).
Aber es gibt ein Minus. Erinnern Sie sich daran, woher der neue Sauerstoff an der Station kommt. Zersetzung von Wasser.
Sauerstoff geht ins Geschäft und Wasserstoff (in Systemen der 2. Generation) wird einfach über Bord geworfen. Jetzt können (und müssen! Von irgendwo anders müssen wir Wasserstoff für die Reaktion nehmen), um diesen Wasserstoff zu verwenden, indem wir ihn in den Sabatier-Reaktor schicken.

Und hier ist die Nuance. In Wasser gibt es 2 Wasserstoffatome pro Sauerstoffatom. Bei der Sabatier-Reaktion müssen 4 Wasserstoffatome pro Sauerstoffatom vorhanden sein (2 ersetzen die Sauerstoffbindung durch Kohlenstoff, und 2 weitere Wasserstoffatome werden zu diesem abgelösten Sauerstoff geformt, um Wasser zu bilden).

Wenn Sie sich also ausschließlich auf die Elektrolyse von Wasser und dem Sabatier-Reaktor verlassen, kann der Sauerstoffkreislauf nur um 50% geschlossen werden. Die Hälfte des CO ₂ kann recycelt werden, der verbleibende Teil enthält jedoch bereits keinen Wasserstoff.



(Wenn Sie zu diesem Zeitpunkt etwas überfordert sind, lassen Sie sich nicht entmutigen. Selbst die Verfasser der ersten Pressemitteilungen auf der ESA-Website haben nicht sofort erkannt, was passiert ist, haben zunächst die falschen Flussdiagramme erstellt und die Ineffizienz des Katalysators für alles verantwortlich gemacht.)

In der Realität stellt sich natürlich bisher heraus, dass es sich nicht um theoretische 50% handelt, sondern um weniger als 40%. Zu Beginn des Artikels wird nur der Sabatier-Reaktor gezeigt, ein Innovationselement - beim Blocklachen geht es um den grünen Pfeil.

Das ganze System ist viel größer, genau wie das, das die Amerikaner zuvor hatten. Das volle Volumen des wissenschaftlichen Racks in einer halben Tonne.

Perspektiven der vierten Generation - die Entwicklung der dritten Generation?

Es stellt sich sofort die Frage: Warum nicht zusätzlichen Wasserstoff verwenden? Zusätzlich zum Wasser, das wir für die Elektrolyse verwenden werden, an die ISS geliefert?

Tatsächlich. Betrachten Sie den Anteil an CO ₂ , der in das Vakuum abgegeben werden muss. Pro 12 Kohlenstoffmassen verlieren wir 32 Sauerstoffmassen. Und wenn wir den fehlenden Wasserstoff in den Reaktor geben und den Kohlenstoff in CH ₄ binden, bleibt der Sauerstoff an der Station und im Abgas verlieren wir nur 4 Massen Wasserstoff. Der Massengewinn beträgt 32: 4 = 8 mal. 1 kg Wasserstoff würde bis zu 8 kg Sauerstoff sparen!

Das Problem ist, dass Wasserstoff kein Wasser ist. Für den Wassertransport können normale Behälter verwendet werden. Der Einfachheit halber setzen wir einen Behälter auf 1/10 des Gewichts des gelieferten Wassers.

Im Fall von Wasserstoff, selbst komprimiert oder sogar verflüssigt, ist das Gegenteil der Fall: Das Verhältnis der Tara-Masse zur darin enthaltenen Wasserstoffmasse beträgt ~ 10/1.

Wir können nicht nur ein Kilogramm Wasserstoff an die ISS liefern. Wir müssen noch 10 Kilogramm seines Containers aufbringen.

Ganz zu schweigen von der Notwendigkeit, Sicherheitsprobleme auf dem Weg zu lösen: Während der Wasserstoffspeicherung gibt es ein regelmäßiges Leck an den Ventilen (wenn es als Gas geliefert wird) und eine ähnliche Entladung an Behältern (wenn es verflüssigt ist), da eine niedrige Temperatur im Inneren aufrechterhalten werden muss. Neben der Gefahr machen diese Lecks auch eine Langzeitlagerung unmöglich. Grubenwasserstoff muss entweder sofort verwendet werden oder unwiderruflich verloren gehen.

Infolgedessen stellt sich heraus, dass es einfacher (und wirtschaftlicher) sein wird, der ISS nicht zusätzlichen Wasserstoff für den Sabatier-Reaktor, sondern zusätzliches Wasser für die Elektrolyse zuzuführen. Und arbeiten Sie in einem halb geschlossenen Kreislauf und lassen Sie überschüssiges Kohlendioxid im Vakuum ab.

Perspektiven der vierten Generation - eine weitere Entwicklung der zweiten Generation

Dabei ging es darum, das System nur mit Sauerstoff zu schließen. Kohlenstoff wurde als nutzloses Element angesehen, das unweigerlich (durch die Atmung der Menschen) aus der Nahrung in das System gelangt. Wir haben die Massenkosten für Lebensmittel, die ständig in den Luftregenerationszyklus eingeführt wurden, nicht berücksichtigt.

Aber was ist, wenn Sie immer noch versuchen, Kohlenstoff zu sparen? Was ist, wenn wir Kohlendioxid Sauerstoff entziehen, indem wir Kohlenstoff an Kohlenhydrate binden, nicht an Methan?

Kohlenhydrate sind, wenn man nur die Anzahl der chemischen Bestandteile betrachtet, eine ungefähr gleiche Mischung aus Kohlenstoff und Wasser.

Erinnern Sie sich an die Atommassen der Teilnehmer: Wasserstoff - 1, Kohlenstoff - 12, Sauerstoff - 16.

Vergleichen wir die Wirksamkeit der betrachteten Methoden der Kohlenstoffbindung unter dem Gesichtspunkt der Masse der Substanz, die in das Vakuum abgegeben wird (das zuvor vom Boden zur Station gehoben werden muss!):

1. Wenn wir alles CH ₄ über Bord werfen (und Wasserstoff wird auch durch Elektrolyse dorthin geschickt), verlieren wir zwei Wassermoleküle für jedes Kohlenstoffatom, dh für 1 Masse Kohlenstoff 3 Masse Wasser.
2. Bei der Sabatier-Reaktion (aufgrund eines Wasserstoffmangels) verlieren wir für jedes Kohlenstoffatom ein Wassermolekül, dh für 1 Masse Kohlenstoff 1,5 Masse Wasser
3. Bei der Umwandlung in Kohlenhydrate verbrauchen wir für jedes Kohlenstoffatom ein Wassermolekül, dh für 1 Masse Kohlenstoff 1,5 Masse Wasser.

Wie Sie sehen können, hat der Elektrolyse + Sabatier-Zyklus die gleiche Effizienz wie der Elektrolyse + Kohlenhydrat-Zyklus.

Aber! Während der Sabatier-Reaktion entleeren wir diese Substanz aus der Station und verlieren sie unwiderruflich. Und Kohlenhydrate - können Sie versuchen, sie für Lebensmittel geeignet zu machen?

Die Nahrung von Astronauten sollte nicht nur Kohlenhydrate (der Einfachheit halber 400 Gramm), sondern auch Fette (100 Gramm) und Proteine ​​(100 Gramm) enthalten. Aus diesem Grund funktioniert es nicht, den Kreislauf für Sauerstoff und Ernährung zu schließen und nur Kohlenhydrate aus Kohlendioxid herzustellen. Aber zumindest den Kohlenhydratanteil der Produkte zu ersetzen? Dies ist 2/3, wenn die trockene Zusammensetzung!

Dann ändert sich das endgültige Gleichgewicht:

- Einerseits reduzieren wir den Wasserverbrauch im Vergleich zum Zyklus durch Sabatier um das Dreifache (von 560 g auf 165 g, dies ist für die Kohlenhydratbindung von Kohlenstoff, der aus verzehrten Proteinen und Fetten stammt, 110 g, theoretisch sogar diese 165 g) Wasser kann nicht abgeschrieben werden und Zucker an Bord sparen, aber es wird einfach nicht für den Kreislauf gefragt sein, die Versorgung mit reinen Kohlenhydraten wird sich ansammeln),

- Außerdem wird der Lebensmittelverbrauch (Trockenzusammensetzung) pro Person / Tag um 400 g geringer (wir haben den Lebensmittelkreislauf für Kohlenhydrate geschlossen).

Insgesamt beträgt der Gewinn ~ 700 g pro Person / Tag.

Was erwartet Sie?

Zusammenfassend: Die NASA und die ESA sehen die Aussicht auf eine Rückkehr zum vorherigen Regenerationssystem (durch Adsorber ohne Sabatier-Reaktor) - nur jetzt, wenn Adsorbens entladen wird, verwenden Sie kein offenes Vakuum, sondern ein Laborvakuum. Geschlossene Vakuumkammern, aus denen Kohlendioxid abgepumpt und gespeichert wird, um es zur Produktion von Kohlenhydraten zu leiten.
Und es bleibt nur eine Kleinigkeit: Wie kann man Kohlendioxid in Kohlenhydrate umwandeln?

1. Sie können versuchen, dies rein chemisch zu tun. Aber es ist schwierig. Wenn es einfach wäre, hätten wir Zucker und Bio-Futter lange Zeit nicht von Plantagen, sondern von Erweiterungen zu Kraftwerken transportiert.
2. Sie können versuchen, dies biologisch durch Photosynthese zu tun, aber hier ist nicht alles glatt.

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	CO 2	1 (/ /)		/.
		50 O 2 - 2
Ich	LiOH	1,1 1,5	, («», , )
II	,	1,1	( «», Skylab — )
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Daher ist das eigentliche Ziel, das sich die NASA selbst setzt, die Schließung des Systems von derzeit 40% auf 75% zu bringen.

Aber selbst wenn sich herausstellt, dass beide Zyklen nahe Null oder fast Null sind, und das ist noch nicht alles. Dies bedeutet überhaupt nicht , dass eine Person in einem geschlossenen Kreislauf vollständig mit Sauerstoff und Wasser arbeiten kann.

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