Le dioxyde de carbone sur l'ISS

En octobre, un nouveau système (fondamentalement) de régénération de l'air a été installé sur l'ISS, ce qui doublera la fermeture du cycle de l'air.



Cependant, si tout se passe bien avec le progrès technologique, cette option ne durera pas longtemps, et nous reviendrons sur le type de système précédent . Mais si le progrès stagne, le nouveau système deviendra l'étalon-or pendant des décennies.

Résumé: Qu'est-ce que la congestion: peu d'oxygène? - Normes CO _{2 de la} NASA et de l'US Navy - Quelle quantité de CO ₂ émet une personne? - Génération I de systèmes de régénération de l'air - Génération II - Génération III - Perspectives pour les systèmes à régénération complète - Tableau de comparaison

Qu'est-ce que la congestion?

Tout le monde sait que l'oxygène est nécessaire pour respirer. Beaucoup sont sûrs que la congestion dans la pièce vient du fait qu'une partie de l'oxygène a été expirée dans la pièce; et l'aération est nécessaire pour qu'une nouvelle arrive de la rue.

En fait, ce n'est pas le cas.

La personne moyenne consomme de l'oxygène ~ 1 kg / jour (ou ~ 1/2 g / minute).

Dans la pièce du milieu (3x5x2,6 = 40) dans des conditions normales (teneur en O _{2 de} 0,28 kg / m ³ ), expirez l'oxygène à un niveau bas, comme dans les montagnes, une personne doit respirer pendant une semaine.

En réalité, comme vous pouvez facilement le voir, enfermé dans la pièce pendant une semaine ne fonctionnera pas. Si une personne ferme hermétiquement dans la chambre, elle ne passera presque pas une nuit comme ça. Dans quelques heures, le sommeil deviendra agité, il y aura une sensation croissante de congestion. La journée dans une telle pièce deviendra une torture - pas allégoriquement, mais dans le sens le plus littéral. Physiquement, une personne deviendra très malade.

Ce n'est pas de l'oxygène, mais du dioxyde de carbone, qu'une personne expire en retour.

Quelle quantité de CO ₂ une personne émet-elle?

En air frais, la teneur en CO _{2 est} ~ 0,04% (0,5 g / m ³ ).

Avec une augmentation du contenu à 0,7% et plus, il est de plus en plus difficile d'ignorer la congestion. Ce n'est pas seulement un inconfort psychologique, mais aussi des changements physiologiques notables (à partir de 1%): augmentation de la fréquence et de la profondeur de la respiration, augmentation de la pression, de la fréquence cardiaque, augmentation de la transpiration; le nombre d'erreurs dans les travaux complexes augmente, un mal de tête commence, la concentration maximale devient inaccessible (à partir de 2%). Dans les études civiles, ne pas expérimenter avec des teneurs supérieures à 2,5%.

Il est clair qu'après avoir consommé 1 kg d'O ₂ , un homme expirera environ 1,4 kg de CO ₂ .


Dans notre salle fortifiée, d'un volume de 40m ³ , avec un air initialement parfaitement frais, une personne doublera la teneur en CO ₂ «naturel» en 20 minutes. Au cours de la nuit 20+ fois - jusqu'à 1%. Jusqu'à 3% par jour.

Normes CO _{2 de la} NASA et de l'US Navy

Dans la vie terrestre, de tels endroits murés où la fenêtre ne s'ouvre pas et où vous devez travailler plusieurs jours d'affilée sont des sous-marins.

Il y a beaucoup plus de sous-mariniers que d'astronautes. Et leur travail n'est pas moins compliqué et responsable. Il existe donc des statistiques importantes et de haute qualité.

Lors du développement de systèmes de régénération spatiale, ils sont guidés par cette expérience, mais les normes pour les astronautes sont fixées de manière plus humaine, la NASA a décidé de prendre un facteur 1/3 à long terme:



C'est 0,8%.

Cependant, en réalité, la NASA essaie de maintenir le niveau de l'ISS à 0,5% au maximum. Le fait est que même à un tel niveau, les astronautes commencent à ressentir de l'inconfort, - les psychologues du MCC remarquent que le comportement des gens change considérablement, même s'ils ne se plaignent pas eux-mêmes.

Et le besoin se fait sentir: comment maintenir un faible niveau de CO ₂ dans l'air?

0e génération - soufflage

Historiquement, c'est la toute première décision, car la plus simple.



Il y a simplement une purge progressive de l'oxygène de l'atmosphère de la combinaison spatiale. Le dioxyde de carbone libéré pendant la respiration est libéré dans le vide - avec le reste du mélange. Où il y a encore beaucoup d'oxygène à respirer.

Il est clair qu'en tant que système régulier, cela n'existait qu'au tout début de l'exploration spatiale.
Maintenant, ce système est utilisé uniquement comme système de sauvegarde dans les combinaisons spatiales. C'est-à-dire, en cas de dysfonctionnement du système principal (voir ci-dessous, la prochaine génération), ou comme une extension d'urgence dans le temps, lorsque le système principal est déjà épuisé et que l'astronaute n'a pas eu le temps de revenir. La durée de fonctionnement estimée d'un tel système de rechange dans une combinaison spatiale moderne est d'une demi-heure.

Expliquer en quoi un tel système est inefficace: pendant ces 30 minutes, 1,2 kg d'oxygène sera dépensé en soufflage, dont une personne absorbera 15 à 20 grammes. Efficacité inférieure à 2%.

Génération I - les fameux "contrôleurs" de l'air

Ce système de régénération est devenu le principal presque immédiatement - et est resté pendant une décennie.

Il a été utilisé à la fois par le premier homme sur la lune et les dernières personnes sur les navettes (bien qu'à cette époque sur l'ISS, et avant cela sur le Mir, et même sur Skylab, la prochaine génération avait déjà été utilisée comme version standard, voir ci-dessous).

L'air est entraîné dans un cycle fermé, sans refoulement vers l'extérieur. La perte d'oxygène est compensée par le fait que l'oxygène est mélangé des bouteilles (ou, plus tard, de l'électrolyse de l'eau), et que des conteneurs d'hydroxyde de lithium sont utilisés pour éliminer le CO ₂ :

2LiOH + CO ₂ → Li ₂ CO ₃ + H ₂ O

Le dioxyde de carbone se lie au carbonate de lithium. Formellement, de l'eau est libérée dans cette réaction, qui pourrait (théoriquement) être essayée pour être extraite et décomposée en hydrogène et oxygène, qui peuvent être réutilisés.

En réalité, après avoir utilisé le vérificateur, avec tout son contenu, il passe à la poubelle. En raison de sa compacité, un tel système est utilisé comme système standard dans toutes les combinaisons spatiales et navires de livraison modernes (Soyouz, futur américain). En raison de sa simplicité et de sa fiabilité, un tel système est considéré comme de rechange / supplémentaire sur l'ISS - si le système ordinaire est hors service; s'il y a trop de monde à la gare et que le système principal ne peut pas y faire face.

Lorsque les navettes volaient toujours vers l'ISS, chacune d'entre elles avait une foule entière, et elles ont toutes passé plus de temps à la station que le vol estimé de la navette - il n'y avait pas assez de deux systèmes ISS à temps plein (russe et américain), ils ont constamment brûlé leurs contrôleurs sur la navette, puis une autre partie importante du stock de traites sur l'ISS. Puis de nouvelles cargaisons ont été lancées sur des cargos.

Un vérificateur américain moderne contient 3 kg de LiOH,



Russe 5 kg.

Avec les dames, idéalement, beaucoup moins est irrémédiablement perdu: dioxyde de carbone emporté par les dames; vérificateurs eux-mêmes. (Et, si vous produisez de l'oxygène à partir de l'eau, alors l'hydrogène libéré de l'eau, il passe aussi par dessus bord.)

Dans le même temps, les plus gros déchets en poids sont les contrôleurs eux-mêmes. Est-ce possible d'une manière ou d'une autre sans dépenser de brouillons?

Génération II - mode régulier de l'ISS

S'il est très désagréable, alors c'est un bac à chat avancé avec un remplissage.

Nous avons une substance bien saturée en gaz - mais pas n'importe laquelle, mais en fonction du diamètre de la molécule. Le dioxyde de carbone est capturé, presque pas d'azote et d'oxygène. Autrement dit, devant nous se trouve le soi-disant «tamis moléculaire». Depuis l'époque de Skylab, c'est une zéolite .

Pour que la zéolithe ne soit pas mouillée (humidité normale à la station, chaque personne expire un litre d'eau par jour), l'air est d'abord séché. Refroidit. Et servi dans une chambre avec de la zéolite.



Il existe deux de ces caméras (dans le système américain), ou trois (dans le système russe). Pendant un certain temps, l'une des chambres absorbe le dioxyde de carbone, puis le flux d'air passe à la seconde. À ce moment, un vide est appliqué à l'intérieur du premier et la zéolite est chauffée. Le dioxyde de carbone en sort. Ceci est un cycle. Maintenant, nous pouvons à nouveau utiliser la première chambre pour la purification de l'air et mettre la seconde sur l'altération sous vide.

Idéalement, vous ne prenez que du dioxyde de carbone de l'atmosphère de l'ISS. C'est votre perte irréparable (vous envoyez ce gaz par-dessus bord) - mais les adsorbants eux-mêmes sont utilisés à plusieurs reprises, contrairement aux plateaux pour chats ou aux systèmes à damiers. (Eh bien, bien sûr, continuez à jeter de l'hydrogène par-dessus bord comme sous-produit de l'électrolyse dans la production d'oxygène.)

Question: et si du dioxyde de carbone était jeté par dessus bord, était-ce dommage? Il est aux deux tiers ou plus de l'oxygène!

Génération 2.5 - expérimentale, infructueuse

Ils ont essayé de développer un système pour Mir, mais rien de bon n'en est sorti.

D'une part, il faut rendre hommage au courage des ingénieurs soviétiques. Si le système fonctionnait, ce serait une fermeture complète du cycle par l'oxygène.

D'un autre côté, on ne peut s'empêcher de rappeler le classique - "Bébé, tu éclates?" Peut-être que si les efforts visaient une tâche moins ambitieuse (les Américains, dès le début, tout le travail a été fait sur une tâche moins ambitieuse, bien qu'ils disposaient de beaucoup plus de ressources), les ingénieurs soviétiques l'auraient parfaitement résolu et les systèmes de la troisième génération auraient été utilisés avec succès trente ans.

Quelle est l'idée. Pour transformer le dioxyde de carbone en oxygène, vous pouvez utiliser la soi-disant réaction de Bosch: le dioxyde de carbone est mélangé avec de l'hydrogène, et à haute température, le dioxyde de carbone est d'abord réduit en monoxyde de carbone, puis le monoxyde de carbone se désintègre en carbone atomique sur le catalyseur. Il se traduit par de l'eau (vapeur) et du carbone sous forme de dépôts:

CO ₂ + 2H ₂ → C + 2H ₂ O

Déjà d'après la description, la réaction est visible et la principale difficulté: la réaction est sur le catalyseur, qui est recouvert d'un revêtement de graphite. Et que faire?

Premièrement, le nettoyage est difficile et coûteux (coûteux au sens de l'espace: des équipements et consommables supplémentaires sont nécessaires - et le coût de la masse utile est supérieur au gain en oxygène stocké).

Deuxièmement, ces nettoyages devraient être très fréquents - s'il y en a trois dans le chariot, alors 1 kg de graphite devrait se déposer sur le catalyseur par jour.

Génération III - fraîche

Dès le début, les Américains ont décidé de ne pas faire une réaction Bosch, mais une réaction Sabatier. Il est souvent appelé réacteur Sabatier, car la réaction nécessite non seulement une température élevée, mais également une pression élevée.

La réaction est sur le catalyseur, de l'hydrogène est ajouté au dioxyde de carbone, c'est-à-dire que les réactifs sont similaires à la réaction de Bosch, mais la réaction a un rendement différent:

CO ₂ + 4H ₂ → CH ₄ + 2H ₂ O

eau et méthane.

L’avantage technologique de Sabatier par rapport à Bosch est que tous les produits sont gazeux et faciles à travailler. Dans la version désormais livrée à l'ISS, le méthane est simplement jeté (comme dans les systèmes de 2e génération, le dioxyde de carbone est jeté).
Mais il y a un inconvénient. Rappelez-vous d'où vient le nouvel oxygène à la station. Décomposition de l'eau.
L'oxygène entre en activité et l'hydrogène (dans les systèmes de 2e génération) est simplement jeté par-dessus bord. Maintenant, nous pouvons (et devons! D'ailleurs, nous devons prendre de l'hydrogène pour la réaction) utiliser cet hydrogène en l'envoyant au réacteur Sabatier.

Et voici la nuance. Dans l'eau, il y a 2 atomes d'hydrogène par atome d'oxygène. Et dans la réaction de Sabatier, il devrait y avoir 4 atomes d'hydrogène pour 1 atome d'oxygène (2 sont utilisés pour remplacer la liaison oxygène par du carbone, et 2 hydrogènes supplémentaires sont moulés en cet oxygène détaché pour former de l'eau).

Ainsi, si vous comptez uniquement sur l'électrolyse de l'eau et le réacteur Sabatier, le cycle de l'oxygène ne peut être fermé que de 50%. La moitié du CO ₂ peut être recyclée, mais pour la partie restante, il n'y a déjà pas d'hydrogène.



(Si vous êtes un peu dépassé à ce stade, ne vous découragez pas. Même les compilateurs des premiers communiqués de presse sur le site Web de l'ESA n'ont pas immédiatement réalisé ce qui se passait, et au début, ils ont dessiné les mauvais organigrammes et ont tout jeté sur l'inefficacité du catalyseur.)

En réalité, bien sûr, jusqu'à présent, il ne s'avère pas théorique 50%, mais moins, environ 40%. Au début de l'article, seul le réacteur Sabatier est présenté, un élément d'innovation - sur le bloc rire, c'est autour de la flèche verte.

L'ensemble du système est beaucoup plus vaste, tout comme celui que les Américains avaient auparavant. Le plein volume de rack scientifique, en une demi-tonne.

Perspectives de la quatrième génération - développement de la troisième génération?

La question se pose immédiatement: pourquoi ne pas utiliser d'hydrogène supplémentaire? Livré à l'ISS en plus de l'eau que nous utiliserons pour l'électrolyse?

En fait. Considérez la portion de CO ₂ qui doit être émise dans le vide. Pour 12 masses de carbone, nous perdons 32 masses d'oxygène. Et si nous ajoutons l'hydrogène manquant au réacteur et lions le carbone dans le CH ₄ , alors l'oxygène restera à la station, et dans l'échappement, nous ne perdrons que 4 masses d'hydrogène. Le gain de masse est de 32: 4 = 8 fois. 1 kg d'hydrogène permettrait d'économiser jusqu'à 8 kg d'oxygène!

Le problème est que l'hydrogène n'est pas de l'eau. Il est possible d'utiliser des conteneurs ordinaires pour transporter l'eau. Pour plus de simplicité, nous mettons un récipient 1/10 du poids de l'eau livrée.

Dans le cas de l'hydrogène, même comprimé, même liquéfié, l'inverse est vrai: le rapport de la masse à vide à la masse d'hydrogène qu'il contient sera ~ 10/1.

Nous ne pouvons pas livrer seulement un kilogramme d'hydrogène à l'ISS. Nous devons encore lever 10 kilogrammes de son conteneur.

Sans parler de la nécessité de résoudre les problèmes de sécurité en cours de route: pendant le stockage d'hydrogène, il y a une fuite régulière au niveau des vannes (si elles sont livrées sous forme de gaz), et une décharge similaire au niveau des conteneurs (si liquéfiée), en raison de la nécessité de maintenir une basse température à l'intérieur. En plus du danger, ces fuites rendent également le stockage à long terme impossible. L'hydrogène de la fosse doit être utilisé immédiatement ou irrévocablement perdu.

En conséquence, il s'avère qu'il sera plus facile (et plus économique) de fournir à l'ISS non pas de l'hydrogène supplémentaire pour le réacteur Sabatier, mais de l'eau supplémentaire pour l'électrolyse. Et travaillez dans un cycle semi-fermé, en déversant l'excès de dioxyde de carbone dans le vide.

Perspectives de la quatrième génération - un autre développement de la deuxième génération

Alors qu'il s'agissait de fermer le système uniquement en oxygène. Le carbone était considéré comme un élément inutile qui pénètre inévitablement dans le système (par la respiration des gens) par la nourriture. Nous n'avons pas pris en compte les coûts massifs des aliments qui étaient constamment introduits dans le cycle de régénération de l'air.

Mais que faire si vous essayez toujours d'économiser du carbone? Et si nous extrayions l'oxygène du dioxyde de carbone en liant le carbone aux glucides, pas au méthane?

Les glucides, si vous ne regardez que le nombre d'éléments chimiques constitutifs, sont un mélange à peu près égal de carbone et d'eau.

Rappelez-vous les masses atomiques des participants: hydrogène - 1, carbone - 12, oxygène - 16.

Comparons l'efficacité des méthodes de fixation du carbone envisagées, du point de vue de la masse de substance rejetée dans le vide (qui avant cela doit être soulevée de la terre vers la station!)

1. En déversant tout le CH ₄ par-dessus bord (et l'hydrogène y est également envoyé par électrolyse), nous perdons deux molécules d'eau pour chaque atome de carbone, c'est-à-dire pour 1 masse de carbone 3 masses d'eau.
2. Dans la réaction de Sabatier (due à un manque d'hydrogène), on perd une molécule d'eau pour chaque atome de carbone, c'est-à-dire pour 1 masse de carbone, 1,5 masse d'eau
3. Lorsqu'ils sont convertis en glucides, nous consommons une molécule d'eau pour chaque atome de carbone, c'est-à-dire pour 1 masse de carbone, 1,5 masse d'eau.

Comme vous pouvez le constater, le cycle électrolyse + Sabatier a la même efficacité que le cycle électrolyse + glucides.

Mais! Lors de la réaction de Sabatier, nous vidons cette substance de la station, la perdons irrévocablement. Et les glucides - pouvez-vous essayer de les rendre adaptés à la nourriture?

La nourriture des astronautes devrait contenir non seulement des glucides (pour plus de simplicité, 400 grammes), mais aussi des graisses (100 grammes) et des protéines (100 grammes). Pour cette raison, la fermeture du cycle de l'oxygène et de la nutrition, ne produisant que des glucides à partir du dioxyde de carbone, ne fonctionnera pas. Mais pour remplacer au moins la partie glucidique des produits? C'est 2/3, si la composition sèche!

Ensuite, le solde final changera:

- d'une part, nous réduisons la consommation d'eau de 3 fois par rapport au cycle de Sabatier (de 560 g à 165, il s'agit de la liaison glucidique du carbone issu des protéines et graisses consommées, ses 110 g; théoriquement, même ces 165 grammes l'eau ne peut pas être radiée et économiser du sucre à bord, mais elle ne sera tout simplement pas demandée pour le cycle, l'approvisionnement en glucides purs s'accumulera),

- De plus, la consommation alimentaire (composition sèche) devient 400 g de moins par personne / jour (nous avons fermé le cycle alimentaire pour les glucides).

Au total, le gain est de ~ 700 g par personne / jour.

À quoi s'attendre

Pour résumer: la NASA, l'ESA voient la perspective de revenir au système de régénération précédent (via des adsorbeurs sans réacteur Sabatier) - seulement maintenant, lors du déchargement de l'adsorbant, n'utilisez pas un vide ouvert, mais un vide de laboratoire. Chambres à vide fermées à partir desquelles le dioxyde de carbone est pompé et stocké afin de le diriger vers la production de glucides.
Et il ne reste qu'une bagatelle: comment convertir le dioxyde de carbone en glucides?

1. Vous pouvez essayer de le faire de manière purement chimique. Mais c'est difficile. Si c'était simple, nous aurions longtemps transporté du sucre et des bio-aliments non pas des plantations, mais des extensions aux centrales électriques.
2. Vous pouvez essayer de le faire biologiquement, grâce à la photosynthèse, mais tout n'est pas fluide ici.

Ici, les plans des agences ont vraiment divergé, ou les dirigeants ont décidé de jouer dans une saine compétition, et de ne pas mettre tous leurs œufs dans le même panier. (C'est toujours une bonne option, et surtout quand on a l'expérience de concurrencer les réactions de Sabatier et Bosch. L'un a décollé, l'autre pas.) La

NASA annonce des concours avec un millionième prix dans lesquels elle propose de produire du sucre par des moyens purement chimiques.

L'ESA promet l'année prochaine d'élever le réservoir d'algues sur l'ISS et de leur fournir le dioxyde de carbone qui est désormais redondant pour le réacteur Sabatier.

Et si rien ne vient des glucides du dioxyde de carbone?

Vous pouvez également essayer de produire des glucides et de l'hydrogène à partir de méthane et d'eau. La NASA a choisi le dioxyde de carbone comme point de départ pour attraper deux oiseaux avec une pierre: cette solution peut être utile non seulement pour fermer le cycle de régénération en vol, mais aussi pour la croissance active de la matière sur la planète - dans l'atmosphère de Mars, où il y a du CO ₂ . Et ici, sur Terre, ce serait utile.

Mais très probablement, le circuit avec le réacteur Sabatier restera le plus efficace - et, compte tenu de la vitesse réelle des progrès de la technologie spatiale habitée, pendant des décennies.

Tableau de comparaison

génération	Méthode d'élimination du CO 2	pertes 1 (/ personne / jour)	comme un système régulier	comme pièce de rechange / ajout.
	soufflant	50 kg O 2 - comprimé 2		combinaisons spatiales
Je	LiOH	1,1 1,5	, («», , )	ISS
II	,	1,1	ISS ( «», Skylab — )
III	,	0 3	(, ) «»
III	, 50% CH 4	0,6	(. )
?	,	0,2 4 / 0,2 5

¹ Idéalement.
² Hors emballage.
³ Hors consommables de nettoyage / remplacement de catalyseur.
⁴ Lorsqu'il est combiné avec le cycle alimentaire pour les glucides; ⁵ en même temps, le cycle alimentaire se ferme par les glucides, c'est-à-dire qu'il y a 0,4 kg de consommation de masse en moins (poids sec de glucides dans les aliments), ce qui est plus que les pertes d'eau dans le cycle de l'air (si nous considérons ses pertes séparément du solde total), et formellement cela peut être interprété comme une augmentation de la masse utile (par rapport à la situation où les glucides entrent dans le cycle alimentaire à partir du sol).

Ce qui n'a pas été mentionné ci-dessus, mais il est utile de le comprendre pour être complet.

En plus des pertes lors de la régénération du cycle respiratoire (dans les systèmes modernes, cela réduit, comme on peut le voir, à certaines pertes d'eau), il y a une perte de masse dans d'autres cycles associés aux personnes.

Tout d'abord, c'est un cycle de toilette. Même lorsque les systèmes essayant de fermer ce cycle sont utilisés au maximum sur l'ISS, l'efficacité de ces systèmes est limitée: ~ 80% de l'eau peut être renvoyée au cycle à partir de plusieurs kilogrammes d'eau et de nourriture. Autrement dit, des pertes d'environ 1 kg par personne et par jour. (Cela ne tient pas compte des récipients dans lesquels les aliments arrivent. Ils ne sont pas tous lyophilisés en sachets. Il y a aussi des boîtes de conserve ordinaires.)

Ainsi, cela n'a aucun sens de faire des efforts vraiment fantastiques, en essayant d'améliorer encore le système de régénération du CO ₂ , jusqu'à ce que les pertes en cycle de toilette.

Par conséquent, le véritable objectif fixé par la NASA est de ramener la fermeture du système des 40% actuels à 75%.

Mais même s'il s'avère que ces deux cycles sont proches de zéro, ou presque de zéro, et ce n'est pas tout. Cela ne signifiera pas du tout qu'une personne peut pleinement travailler en cycle fermé sur l'oxygène et l'eau.

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