Dióxido de carbono en la ISS

En octubre, se instaló un nuevo (fundamentalmente) sistema de regeneración de aire en la EEI, que duplicará el cierre del ciclo de aire.



Sin embargo, si todo va bien con el progreso tecnológico, esta opción no durará mucho y tendremos una reversión al tipo de sistema anterior. Pero si el progreso se detiene, el nuevo sistema se convertirá en el estándar de oro durante décadas.

Resumen: ¿Qué es la congestión: poco oxígeno? - Estándares de CO _{2 de la} NASA y la Marina de los EE. UU. - ¿Cuánto CO ₂ emite una persona? - I generación de sistemas de regeneración de aire - II generación - III generación - Perspectivas para sistemas con regeneración completa - Tabla comparativa

¿Qué es la congestión?

Todos saben que se necesita oxígeno para respirar. Muchos están seguros de que la congestión en la habitación viene porque parte del oxígeno fue exhalado en la habitación; y es necesario airear para que llegue uno nuevo de la calle.

De hecho, esto no es así.

La persona promedio consume oxígeno ~ 1 kg / día (o ~ 1/2 g / minuto).

En la sala intermedia (3x5x2.6 = 40) en condiciones normales (contenido _de O _{2 de} 0.28 kg / m ³ ) exhale oxígeno a un nivel bajo, tan alto en las montañas, una persona debe respirar durante una semana.

En realidad, como puede ver fácilmente, encerrado en la habitación durante una semana no funcionará. Si una persona cierra herméticamente en el dormitorio, difícilmente pasará ni siquiera una noche así. En unas pocas horas, el sueño se volverá inquieto, habrá una sensación creciente de congestión. El día en esa habitación se convertirá en tortura, no alegóricamente, sino en el sentido más literal. Físicamente, una persona se enfermará mucho.

No es oxígeno, sino dióxido de carbono, que una persona exhala a cambio.

¿Cuánto CO ₂ emite una persona?

En aire fresco, el contenido de CO _{2 es} ~ 0.04% (0.5 g / m ³ ).

Con un aumento en el contenido al 0.7% y más, es cada vez más difícil ignorar la congestión. Esto no es solo una molestia psicológica, sino también cambios fisiológicos notables (del 1%): un aumento en la frecuencia y profundidad de la respiración, un aumento en la presión, la frecuencia cardíaca y un aumento de la sudoración; aumenta el número de errores en el trabajo complejo, comienza un dolor de cabeza, la concentración máxima se vuelve inalcanzable (del 2%). En estudios civiles, no experimente con contenidos superiores al 2.5%.

Está claro que después de haber consumido 1 kg de O ₂ , un hombre exhalará alrededor de 1,4 kg de CO ₂ .


En nuestra sala amurallada, con un volumen de 40 m3, con un aire inicialmente perfecto, una persona duplicará el contenido de CO ₂ "natural" en 20 minutos. Durante la noche más de 20 veces, hasta 1%. Hasta 3% por día.

Estándares de CO2 de la NASA y la Marina de los EE. UU.

En la vida terrenal, esos lugares amurallados donde la ventana no se abre, y hay que trabajar durante muchos días seguidos, son submarinos.

Hay muchos más submarinistas que astronautas. Y su trabajo no es menos complicado y responsable. Así que hay estadísticas grandes y de alta calidad.

Al desarrollar sistemas de regeneración espacial, se guían por esta experiencia, pero los estándares para los astronautas son más humanos, la NASA decidió tomar el factor 1/3 a largo plazo:



Eso es 0.8%.

Sin embargo, en realidad, la NASA está tratando de mantener el nivel de la EEI no superior al 0,5%. El hecho es que incluso a ese nivel, los astronautas individuales comienzan a sentir incomodidad, los psicólogos del CCM notan que el comportamiento de las personas cambia significativamente, incluso si ellos mismos no se quejan.

Y surge la necesidad: ¿cómo mantener bajos niveles de CO ₂ en el aire?

0a generación - soplando

Históricamente, esta es la primera decisión, porque es la más simple.



Simplemente hay una purga gradual de oxígeno de la atmósfera del traje espacial. El dióxido de carbono liberado durante la respiración se libera al vacío, junto con el resto de la mezcla. Donde todavía hay mucho oxígeno para respirar.

Está claro que, como sistema regular, esto solo existía al comienzo de la exploración espacial.
Ahora este sistema se usa solo como sistema de respaldo en trajes espaciales. Es decir, en caso de un mal funcionamiento del sistema principal (ver más abajo, la próxima generación), o como una expansión de emergencia en el tiempo, cuando el sistema principal ya está agotado y el astronauta no ha tenido tiempo de regresar. El tiempo de funcionamiento estimado de un sistema de repuesto de este tipo en un traje espacial moderno es de media hora.

Para dejar en claro cómo dicho sistema es ineficaz: en estas media hora se gastarán 1,2 kg de oxígeno en soplar, de los cuales una persona absorberá 15-20 gramos. Eficiencia inferior al 2%.

I generation - los famosos "inspectores" para el aire

Este sistema de regeneración se convirtió en el principal casi de inmediato, y se mantuvo durante una década.

Fue utilizado tanto por el primer hombre en la luna como por las últimas personas en los transbordadores (aunque para ese momento en la ISS, y antes en el Mir, e incluso en Skylab, la próxima generación ya se había utilizado como una versión estándar, ver más abajo).

El aire es conducido en un ciclo cerrado, sin descarga al exterior. La pérdida de oxígeno se compensa por el hecho de que el oxígeno se mezcla de los cilindros (o, más tarde, de la electrólisis del agua), y los contenedores de hidróxido de litio se utilizan para eliminar el CO ₂ :

2LiOH + CO ₂ → Li ₂ CO ₃ + H ₂ O

El dióxido de carbono se une al carbonato de litio. Formalmente, se libera agua en esta reacción, que podría (teóricamente) intentarse extraerse y descomponerse en hidrógeno y oxígeno, que pueden usarse nuevamente.

En realidad, después de usar el corrector, con todo su contenido, se va a la basura. Debido a su tamaño compacto, este sistema se utiliza como sistema estándar en todos los trajes espaciales modernos y naves de entrega (Soyuz, futuro estadounidense). Debido a su simplicidad y confiabilidad, dicho sistema se considera repuesto / adicional en la ISS, si el sistema normal está fuera de servicio; si hay demasiadas personas en la estación y el sistema principal no puede hacer frente.

Cuando los transbordadores todavía volaban a la ISS, cada uno de ellos tenía una multitud completa, y todos pasaron más tiempo en la estación que el vuelo estimado del transbordador: no había suficientes dos sistemas de la ISS de tiempo completo (ruso y estadounidense), constantemente "quemaban" sus fichas en el transbordador, y luego otra porción significativa del stock de borradores en la EEI. Luego se lanzaron nuevas cargas en los buques de carga.

Un verificador americano moderno contiene 3 kg de LiOH,



Ruso 5 kg.

Con las damas, idealmente, mucho menos se pierde de manera irremplazable: dióxido de carbono quitado por las damas; damas ellos mismos. (Y, si produce oxígeno del agua, entonces el hidrógeno liberado del agua, también se va por la borda).

Al mismo tiempo, el mayor desperdicio por peso son las propias fichas. ¿Es posible de alguna manera sin gastar giros?

II generación - modo regular de la ISS

Si es muy grosero, entonces esta es una bandeja avanzada para gatos con relleno.

Tenemos una sustancia que está bien saturada de gas, pero no ninguna, pero depende del diámetro de la molécula. Se captura dióxido de carbono, casi nada de nitrógeno y oxígeno. Es decir, ante nosotros está el llamado "tamiz molecular". Desde los días de Skylab, es una zeolita .

Para que la zeolita no se moje (humedad normal en la estación, cada persona exhala un litro de agua por día), primero se seca el aire. Se enfría Y servido en una cámara con zeolita.



Hay dos cámaras de este tipo (en el sistema estadounidense), o tres (en el ruso). Durante un tiempo, una de las cámaras absorbe dióxido de carbono, luego el flujo de aire cambia a la segunda. En este momento, se aplica un vacío dentro del primero, y la zeolita se calienta. El dióxido de carbono sale de él. Este es un ciclo. Ahora podemos volver a usar la primera cámara para la purificación del aire, y poner la segunda en la intemperie en el vacío.

Idealmente, solo toma dióxido de carbono de la atmósfera de la EEI. Esta es su pérdida irreparable (envía este gas por la borda), pero los adsorbentes se usan repetidamente, a diferencia de las bandejas para gatos o los sistemas a cuadros. (Bueno, por supuesto, sigue arrojando hidrógeno por la borda como un subproducto de la electrólisis en la producción de oxígeno).

Pregunta: ¿y si el dióxido de carbono fuera arrojado por la borda era una pena? ¡Tiene dos tercios o más de oxígeno!

Generación 2.5 - experimental, sin éxito

Intentaron desarrollar un sistema para Mir, pero no resultó nada bueno.

Por un lado, hay que rendir homenaje al coraje de los ingenieros soviéticos. Si el sistema funcionara, sería un cierre completo del ciclo por oxígeno.

Por otro lado, uno no puede evitar recordar el clásico: "Bebé, ¿estás estallando?" Quizás si los esfuerzos apuntaran a una tarea menos ambiciosa (los estadounidenses desde el principio todo el trabajo se llevó a cabo precisamente en una tarea menos ambiciosa, aunque tenían muchos más recursos), entonces los ingenieros soviéticos lo habrían resuelto perfectamente y los sistemas de la tercera generación se habrían utilizado con éxito treinta años

Cual es la idea. Para convertir el dióxido de carbono en oxígeno, se puede usar la llamada reacción de Bosch: el dióxido de carbono se mezcla con hidrógeno, y a alta temperatura el dióxido de carbono se reduce primero a monóxido de carbono, y luego el monóxido de carbono se desintegra a carbono atómico en el catalizador. Resulta agua (vapor) y carbono en forma de depósitos:

CO ₂ + 2H ₂ → C + 2H ₂ O

A partir de la descripción, la reacción es visible y la principal dificultad: la reacción está en el catalizador, que está cubierto con una capa de grafito. Y que hacer

En primer lugar, la limpieza es difícil y costosa (costosa en el sentido del espacio: se requieren equipos y consumibles adicionales, y el costo de la masa útil es más que la ganancia de oxígeno almacenado).

En segundo lugar, estas limpiezas deben ser muy frecuentes: si hay tres en el carro, entonces 1 kg de grafito debe depositarse en el catalizador por día.

III generación - fresca

Desde el principio, los estadounidenses decidieron no hacer una reacción de Bosch, sino una reacción de Sabatier. A menudo se le llama reactor Sabatier, ya que la reacción requiere no solo alta temperatura, sino también alta presión.

La reacción está en el catalizador, se agrega hidrógeno al dióxido de carbono, es decir, los reactivos son similares a la reacción de Bosch, pero la reacción tiene un rendimiento diferente:

CO ₂ + 4H ₂ → CH ₄ + 2H ₂ O

agua y metano.

La ventaja tecnológica de Sabatier sobre Bosch es que todos los productos son gaseosos y fáciles de trabajar. En la versión que ahora se entregó a la EEI, el metano simplemente se expulsa (como en los sistemas de segunda generación, se expulsa el dióxido de carbono).
Pero hay un menos. Recuerde de dónde proviene el nuevo oxígeno en la estación. Descomposición de agua.
El oxígeno entra en el negocio, y el hidrógeno (en sistemas de segunda generación) simplemente se arroja por la borda. Ahora podemos (¡y debemos!) En otro lugar necesitamos tomar hidrógeno para la reacción) para usar este hidrógeno enviándolo al reactor Sabatier.

Y aquí está el matiz. En el agua, hay 2 átomos de hidrógeno por átomo de oxígeno. Y en la reacción Sabatier, debe haber 4 átomos de hidrógeno por átomo de oxígeno (2 va a reemplazar el enlace de oxígeno con carbono, y 2 más hidrógeno se moldean a este oxígeno desprendido para formar agua).

Por lo tanto, si confía únicamente en la electrólisis del agua y el reactor Sabatier, el ciclo de oxígeno solo puede cerrarse en un 50%. La mitad del CO ₂ puede reciclarse, pero para la parte restante, ya no hay hidrógeno.



(Si está un poco abrumado en este punto, no se desanime. Incluso los compiladores de los primeros comunicados de prensa en el sitio web de la ESA no se dieron cuenta de inmediato de lo que estaba sucediendo, y al principio dibujaron los diagramas de flujo incorrectos y atribuyeron todo a la ineficiencia del catalizador).

En realidad, por supuesto, hasta ahora resulta no teórico el 50%, pero menos, alrededor del 40%. Al comienzo del artículo, solo se muestra el reactor Sabatier, un elemento de innovación: en la risa del bloque, está alrededor de la flecha verde.

Todo el sistema es mucho más grande, al igual que el que tenían los estadounidenses antes. El volumen completo del estante científico, en media tonelada.

Perspectivas de la cuarta generación: ¿el desarrollo de la tercera generación?

La pregunta surge de inmediato: ¿por qué no usar hidrógeno adicional? ¿Entregado a la ISS además del agua que usaremos para la electrólisis?

De hecho Considere la porción de CO ₂ que debe emitirse al vacío. Por cada 12 masas de carbono, perdemos 32 masas de oxígeno. Y si agregamos el hidrógeno faltante al reactor y unimos el carbono en CH ₄ , entonces el oxígeno permanecerá en la estación, y en el escape perderemos solo 4 masas de hidrógeno. La ganancia en masa es 32: 4 = 8 veces. ¡1 kg de hidrógeno ahorraría tanto como 8 kg de oxígeno!

El problema es que el hidrógeno no es agua. Es posible utilizar contenedores ordinarios para transportar agua. Para simplificar, colocamos en un recipiente 1/10 del peso del agua entregada.

En el caso del hidrógeno, incluso comprimido, incluso licuado, lo contrario es cierto: la relación entre la masa de tara y la masa de hidrógeno contenida en ella será de ~ 10/1.

No podemos entregar solo un kilogramo de hidrógeno a la EEI. Todavía tenemos que levantar 10 kilogramos de su contenedor.

Sin mencionar que será necesario resolver los problemas de seguridad en el camino: al almacenar hidrógeno hay una fuga regular en las válvulas (si se entrega como gas), y una descarga similar en los contenedores (si se licua), debido a la necesidad de mantener una temperatura baja en el interior. Además del peligro, estas fugas también hacen imposible el almacenamiento a largo plazo. El hidrógeno del pozo debe usarse inmediatamente o perderse irrevocablemente.

Como resultado, resulta que será más fácil (y más económico) entregar a la ISS no hidrógeno adicional para el reactor Sabatier, sino agua adicional para la electrólisis. Y trabaje en un ciclo medio cerrado, descargando el exceso de dióxido de carbono en el vacío.

Perspectivas de la cuarta generación: otro desarrollo de la segunda generación

Si bien se trataba de cerrar el sistema solo en oxígeno. El carbono fue visto como un elemento inútil que inevitablemente ingresa al sistema (a través de la respiración de las personas) desde los alimentos. No tomamos en cuenta los costos masivos de alimentos que se introdujeron constantemente en el ciclo de regeneración del aire.

Pero, ¿qué pasa si aún intentas ahorrar carbono? ¿Qué pasa si extraemos oxígeno del dióxido de carbono uniendo carbono a carbohidratos, no a metano?

Los carbohidratos, si observa solo la cantidad de elementos químicos constituyentes, es una mezcla aproximadamente igual de carbono y agua.

Recordemos las masas atómicas de los participantes: hidrógeno - 1, carbono - 12, oxígeno - 16.

Comparemos la efectividad de los métodos considerados de unión al carbono, desde el punto de vista de la masa de sustancia descargada en el vacío (que antes de esto debe elevarse a la estación desde el suelo):

1. Al verter todo el CH ₄ por la borda (y el hidrógeno también se envía allí desde la electrólisis), perdemos dos moléculas de agua por cada átomo de carbono, es decir, por 1 masa de carbono 3 masa de agua.
2. En la reacción Sabatier (debido a la falta de hidrógeno), perdemos una molécula de agua por cada átomo de carbono, es decir, por 1 masa de carbono, 1,5 masas de agua.
3. Cuando se convierten en carbohidratos, consumimos una molécula de agua por cada átomo de carbono, es decir, por 1 masa de carbono, 1,5 masas de agua.

Como puede ver, el ciclo de electrólisis + Sabatier tiene la misma eficiencia que el ciclo de electrólisis + carbohidrato.

Pero! Durante la reacción de Sabatier, tiramos esta sustancia de la estación, la perdemos irrevocablemente. Y carbohidratos: ¿puede intentar hacerlos adecuados para la comida?

La comida de los astronautas debe contener no solo carbohidratos (por simplicidad, 400 gramos), sino también grasas (100 gramos) y proteínas (100 gramos). Debido a esto, cerrar el ciclo para el oxígeno y la nutrición, produciendo solo carbohidratos con dióxido de carbono, no funcionará. ¿Pero reemplazar al menos la parte de carbohidratos de los productos? ¡Esto es 2/3, si la composición seca!

Entonces el saldo final cambiará:

- Por un lado, reducimos el consumo de agua en 3 veces en comparación con el ciclo a través de Sabatier (de 560 ga 165, esto es para la unión de carbohidratos de carbono que provienen de las proteínas y grasas consumidas, sus 110 g; en teoría, incluso estos 165 gramos el agua no se puede descartar y ahorra azúcar a bordo, pero simplemente no tendrá demanda para el ciclo, se acumulará el suministro de carbohidratos puros),

- Además, el consumo de alimentos (composición seca) se convierte en 400 g menos por persona / día (cerramos el ciclo de alimentos para los carbohidratos).

En total, la ganancia es de ~ 700 g por persona / día.

Que esperar

Para resumir: la NASA y la ESA ven la posibilidad de regresar al sistema de regeneración anterior (a través de adsorbedores sin un reactor Sabatier); solo ahora, cuando descargue el adsorbente, no use un vacío abierto, sino uno de laboratorio. Cámaras de vacío cerradas desde las cuales se bombea y almacena dióxido de carbono para dirigirlo a la producción de carbohidratos.
Y sigue habiendo un poco: ¿cómo convertir el dióxido de carbono en carbohidratos?

1. Puedes intentar hacer esto puramente químicamente. Pero es dificil. Si fuera simple, habríamos transportado durante mucho tiempo el azúcar y la alimentación biológica no desde las plantaciones, sino desde las extensiones hasta las plantas de energía.
2. Puede intentar hacer esto biológicamente, a través de la fotosíntesis, pero no todo es fácil aquí.

Aquí, los planes de las agencias realmente divergieron, o los líderes decidieron jugar en una competencia saludable y no poner todos sus huevos en una canasta. (Esta es siempre una buena opción, y especialmente cuando uno tiene la experiencia de competir con las reacciones de Sabatier y Bosch. Uno ha despegado, el otro no). La

NASA anuncia concursos con premios millonarios en los que ofrece producir azúcar por medios puramente químicos.

La ESA promete el próximo año elevar el tanque de algas en la EEI y alimentarlos con el dióxido de carbono que ahora es redundante para el reactor Sabatier.

¿Y si nada proviene de los carbohidratos del dióxido de carbono?

También puede intentar producir carbohidratos e hidrógeno a partir de metano y agua. La NASA eligió el dióxido de carbono como punto de partida para atrapar dos pájaros de un tiro: esta solución puede ser útil no solo para cerrar el ciclo de regeneración en vuelo, sino también para el crecimiento activo de la materia en el planeta, en la atmósfera de Marte, donde hay CO ₂ . Y aquí, en la Tierra, sería útil.

Pero lo más probable es que el circuito con el reactor Sabatier siga siendo el más efectivo y, dada la velocidad real del progreso en la tecnología espacial tripulada, durante décadas.

Tabla de comparación

generación	Método de eliminación de CO 2	pérdidas 1 (/ persona / día)	como un sistema regular	como repuesto / agregar.
	soplando	50 kg O 2 -comprimido 2		trajes espaciales
Yo	LiOH	1,1 1,5	, («», , )
II	,	1,1	( «», Skylab — )
III	,	0 3	(, ) «»
III	, 50% CH 4	0,6	(. )
?	,	0,2 4 / 0,2 5

¹ Idealmente.
² Excluyendo embalaje.
³ Excluidos los consumibles de limpieza / reemplazo del catalizador.
⁴ Cuando se combina con el ciclo de alimentos para carbohidratos; ⁵ al mismo tiempo, el ciclo alimentario se cierra por los carbohidratos, es decir, hay 0.4 kg menos de consumo de masa (peso seco de carbohidratos en los alimentos), que es más que pérdidas de agua en el ciclo del aire (si consideramos sus pérdidas por separado del saldo total), y formalmente esto puede interpretarse como un aumento de la masa útil (en comparación con la situación en la que los carbohidratos ingresan al ciclo alimentario desde el suelo).

Lo que no se mencionó anteriormente, pero es útil para comprender la integridad.

Además de las pérdidas durante la regeneración del ciclo de respiración (en los sistemas modernos, esto reduce, como se puede ver, algunas pérdidas de agua), hay pérdida de masa en otros ciclos asociados con las personas.

En primer lugar, es un ciclo de aseo. Incluso cuando los sistemas que intentan cerrar este ciclo se usan al máximo en la EEI, la efectividad de estos sistemas es limitada: de varios kilogramos de agua y alimentos, ~ 80% del agua puede ser devuelta al ciclo. Es decir, pérdidas de ~ 1 kg por persona por día. (Esto no cuenta los recipientes en los que viene la comida. No todo se liofiliza en sobres. También hay latas comunes).

Por lo tanto, no tiene sentido hacer esfuerzos realmente fantásticos, tratando de mejorar aún más el sistema de regeneración de CO ₂ , hasta las pérdidas en ciclo de aseo.

Por lo tanto, el objetivo real establecido por la NASA es llevar el cierre del sistema del 40% al 75% actual.

Pero incluso si resulta que ambos ciclos son cercanos a cero, o casi a cero, y eso no es todo. Esto no significará en absoluto que una persona pueda trabajar completamente en un ciclo cerrado con oxígeno y agua.

Cada salida al espacio exterior es una pérdida inevitable de agua. Se usa para enfriar el traje. Aunque a primera vista puede parecer que tanto el traje espacial en sí como la "mochila" del sistema de soporte vital están completamente cubiertos por aislamiento térmico, no. El extremo inferior de la "mochila", que termina debajo del culo del astronauta, no está cubierto. Este es el radiador del enfriador, y en el radiador del poro, donde se suministra el agua del circuito externo, para la evaporación. Para una salida, dependiendo de la duración, se pierden ~ 1-2 kg por participante de la salida.