Karbon dioksida pada ISS

Pada bulan Oktober, sistem regenerasi udara baru (fundamental) dipasang pada ISS, yang akan menggandakan penutupan siklus udara.



Namun, jika semuanya berjalan baik dengan kemajuan teknologi, opsi ini tidak akan bertahan lama, dan kami akan memiliki rollback ke jenis sistem sebelumnya . Tetapi jika kemajuan terhenti, sistem baru akan menjadi standar emas selama beberapa dekade.

Ringkasan: Apa itu sesak: sedikit oksigen? - Standar CO2 NASA dan US Navy - Berapa banyak CO ₂ yang dipancarkan seseorang? - Generasi I sistem regenerasi udara - Generasi II - Generasi III - Prospek untuk sistem dengan regenerasi lengkap - Tabel perbandingan

Apa itu pengap?

Semua orang tahu bahwa oksigen diperlukan untuk bernafas. Banyak yang yakin bahwa sesak di dalam ruangan datang karena sebagian oksigen dihembuskan ke dalam ruangan; dan mengudara diperlukan agar yang baru datang dari jalan.

Sebenarnya tidak demikian.

Rata-rata orang mengkonsumsi oksigen ~ 1 kg / hari (atau ~ 1/2 g / menit).

Untuk di ruang tengah (3x5x2.6 = 40) dalam kondisi normal (kadar O ₂ 0,28 kg / m ³ ) menghembuskan oksigen ke tingkat rendah, setinggi di pegunungan, satu orang harus bernafas selama seminggu.

Pada kenyataannya, seperti yang Anda dapat dengan mudah melihat, berdinding di dalam ruangan selama seminggu tidak akan berhasil. Jika seseorang menutup rapat di kamar, dia tidak akan menghabiskan satu malam pun seperti ini. Dalam beberapa jam, tidur akan menjadi gelisah, akan ada sensasi pengap. Hari di ruangan seperti itu akan menjadi siksaan - tidak secara alegoris, tetapi dalam arti yang paling harfiah. Secara fisik, seseorang akan menjadi sangat sakit.

Ini bukan oksigen, tetapi karbon dioksida, yang diembuskan seseorang sebagai balasannya.

Berapa banyak CO ₂ yang dipancarkan seseorang?

Di udara segar, kandungan CO _{2 adalah} ~ 0,04% (0,5 g / m ³ ).

Dengan peningkatan konten menjadi 0,7% dan selanjutnya, semakin sulit untuk mengabaikan pengap. Ini bukan hanya ketidaknyamanan psikologis, tetapi juga perubahan fisiologis yang nyata (dari 1%): peningkatan frekuensi dan kedalaman pernapasan, peningkatan tekanan, detak jantung, peningkatan keringat; jumlah kesalahan dalam pekerjaan kompleks meningkat, sakit kepala dimulai, konsentrasi maksimum menjadi tidak dapat dicapai (dari 2%). Dalam studi sipil, jangan bereksperimen dengan konten di atas 2,5%.

Jelas bahwa setelah mengkonsumsi 1 kg O ₂ , seorang pria akan menghembuskan sekitar 1,4 kg CO ₂ .


Di kamar berdinding kami, dengan volume 40m ³ , dengan udara segar yang awalnya sempurna, seseorang akan menggandakan konten CO ₂ "alami" dalam 20 menit. Semalam 20+ kali - hingga 1%. Hingga 3% per hari.

Standar NASA dan US Navy ₂

Dalam kehidupan duniawi, tempat bertembok seperti itu di mana jendela tidak terbuka, dan Anda harus bekerja selama berhari-hari berturut-turut, adalah kapal selam.

Ada lebih banyak kapal selam daripada astronot. Dan pekerjaan mereka tidak kalah rumit dan bertanggung jawab. Jadi ada statistik besar dan berkualitas tinggi.

Ketika mengembangkan sistem regenerasi ruang angkasa, mereka dipandu oleh pengalaman ini, tetapi standar untuk astronot ditetapkan lebih manusiawi, NASA memutuskan untuk mengambil faktor 1/3 untuk jangka panjang:



Itu 0,8%.

Namun, pada kenyataannya, NASA berusaha menjaga level ISS tidak lebih tinggi dari 0,5%. Faktanya adalah bahwa bahkan pada tingkat seperti itu, astronot individu mulai merasa tidak nyaman, - psikolog di MCC memperhatikan bahwa perilaku orang berubah secara signifikan, bahkan jika mereka sendiri tidak mengeluh.

Dan kebutuhan muncul: bagaimana mempertahankan CO ₂ rendah di udara?

Generasi 0 - bertiup

Secara historis, ini adalah keputusan pertama, karena yang paling sederhana.



Hanya ada pembersihan oksigen bertahap dari pakaian luar angkasa. Karbon dioksida yang dilepaskan saat bernafas dilepaskan ke dalam ruang hampa - bersama dengan sisa campuran. Di mana masih banyak oksigen untuk bernafas.

Jelas bahwa, sebagai sistem reguler, ini hanya ada pada awal eksplorasi ruang angkasa.
Sekarang sistem ini hanya digunakan sebagai sistem cadangan dalam pakaian antariksa. Artinya, jika terjadi kerusakan pada sistem utama (lihat di bawah, generasi berikutnya), atau sebagai perluasan darurat dalam waktu, ketika sistem utama sudah habis dan astronot belum punya waktu untuk kembali. Perkiraan waktu pengoperasian sistem cadangan semacam itu dalam pakaian antariksa modern adalah setengah jam.

Untuk memperjelas bagaimana sistem seperti itu tidak efektif: dalam setengah jam ini 1,2 kg oksigen akan dihabiskan untuk meniup, yang mana seseorang akan menyerap 15-20 gram. Efisiensi kurang dari 2%.

Saya generasi - "catur" yang terkenal untuk udara

Sistem regenerasi ini menjadi yang utama segera - dan tetap seperti dekade.

Itu digunakan baik oleh manusia pertama di bulan, dan orang-orang terakhir di angkutan (meskipun pada saat itu di ISS, dan sebelum itu di Mir, dan bahkan di Skylab, generasi berikutnya sudah digunakan sebagai versi standar, lihat di bawah).

Udara didorong dalam siklus tertutup, tanpa keluar ke luar. Kehilangan oksigen dikompensasi oleh fakta bahwa oksigen dicampur dari silinder (atau, kemudian, dari elektrolisis air), dan wadah lithium hidroksida digunakan untuk menghilangkan CO ₂ :

2LiOH + CO ₂ → Li ₂ CO ₃ + H ₂ O

Karbon dioksida berikatan dengan lithium karbonat. Secara formal, air dilepaskan dalam reaksi ini, yang dapat (secara teoritis) dicoba untuk diekstraksi dan didekomposisi menjadi hidrogen dan oksigen, yang dapat digunakan kembali.

Pada kenyataannya, setelah menggunakan pemeriksa, dengan semua isinya, ia pergi ke tempat sampah. Karena kekompakannya, sistem seperti itu digunakan sebagai sistem standar di semua antariksa modern dan kapal pengiriman (Soyuz, Amerika masa depan). Karena kesederhanaan dan keandalannya, sistem seperti itu dianggap cadangan / tambahan pada ISS - jika sistem reguler rusak; jika ada terlalu banyak orang di stasiun, dan sistem utama tidak dapat mengatasinya.

Ketika angkutan masih terbang ke ISS, masing-masing memiliki kerumunan yang banyak, dan mereka semua menghabiskan lebih banyak waktu di stasiun daripada perkiraan penerbangan pesawat ulang-alik - tidak ada cukup dua sistem ISS penuh waktu (Rusia dan Amerika), mereka terus-menerus membakar checker mereka di pesawat ulang-alik, dan kemudian bagian signifikan lain dari stok draft pada ISS. Kemudian kargo baru dilemparkan ke kapal barang.

Pemeriksa Amerika modern mengandung 3 kg LiOH,



Rusia 5 kg.

Dengan biji, idealnya, jauh lebih sedikit yang tak tergantikan hilang: karbon dioksida diambil oleh biji; dam sendiri. (Dan, jika Anda menghasilkan oksigen dari air, maka hidrogen dilepaskan dari air, itu juga akan berlebihan.)

Pada saat yang sama, pemborosan terbesar berdasarkan berat adalah checker itu sendiri. Apakah mungkin entah bagaimana tanpa mengeluarkan draf?

Generasi II - mode reguler ISS

Jika sangat kasar, maka ini adalah nampan kucing canggih dengan pengisi.

Kami memiliki zat yang jenuh dengan gas - tetapi tidak ada, tetapi tergantung pada diameter molekul. Karbon dioksida ditangkap, hampir tidak ada nitrogen dan oksigen. Yaitu, sebelum kita disebut "saringan molekuler." Sejak zaman Skylab, itu adalah zeolit .

Agar zeolit ​​tidak menjadi basah (kelembaban normal di stasiun, setiap orang menghembuskan satu liter air per hari), pertama-tama udara dikeringkan. Menjadi dingin. Dan disajikan di sebuah ruangan dengan zeolit.



Ada dua kamera seperti itu (dalam sistem Amerika), atau tiga (dalam bahasa Rusia). Untuk sementara, salah satu ruang menyerap karbon dioksida, kemudian aliran udara beralih ke yang kedua. Pada saat ini, vakum diterapkan di dalam yang pertama, dan zeolit ​​dipanaskan. Karbon dioksida keluar darinya. Ini adalah satu siklus. Sekarang kita dapat kembali menggunakan ruang pertama untuk pemurnian udara, dan menempatkan yang kedua pada pelapukan dalam ruang hampa udara.

Idealnya, Anda hanya mengambil karbon dioksida dari atmosfer ISS. Ini adalah kerugian Anda yang tidak dapat diperbaiki (Anda mengirim gas ini ke laut) - tetapi adsorben itu sendiri digunakan berulang kali, tidak seperti baki kucing atau sistem kotak-kotak. (Yah, tentu saja, terus melempar hidrogen ke laut sebagai produk sampingan dari elektrolisis dalam produksi oksigen.)

Pertanyaan: dan apakah karbon dioksida yang dilemparkan ke laut sangat disayangkan? Dia dua pertiga atau lebih oksigen!

Generasi 2.5 - eksperimental, tidak berhasil

Mereka mencoba mengembangkan sistem untuk Mir, tetapi tidak ada yang baik dari itu.

Di satu sisi, seseorang harus membayar upeti kepada keberanian insinyur Soviet. Jika sistem bekerja, itu akan menjadi penutupan lengkap siklus oleh oksigen.

Di sisi lain, orang tidak bisa tidak mengingat klasik - "Baby, kamu meledak?" Mungkin jika upaya itu ditujukan pada tugas yang kurang ambisius (Amerika sejak awal semua pekerjaan dilakukan justru pada tugas yang kurang ambisius, meskipun mereka memiliki lebih banyak sumber daya), maka insinyur Soviet akan menyelesaikannya dengan sempurna, dan sistem generasi ketiga akan berhasil digunakan tiga puluh tahun.

Apa idenya. Untuk mengubah karbon dioksida menjadi oksigen, Anda dapat menggunakan apa yang disebut reaksi Bosch: karbon dioksida dicampur dengan hidrogen, dan pada suhu tinggi karbon dioksida pertama kali direduksi menjadi karbon monoksida, dan kemudian karbon monoksida meluruh menjadi atom karbon pada katalis. Ternyata air (uap), dan karbon dalam bentuk endapan:

CO ₂ + 2H ₂ → C + 2H ₂ O

Sudah dari uraian, reaksi terlihat dan kesulitan utama: reaksi ada pada katalis, yang ditutupi dengan lapisan grafit. Dan apa yang harus dilakukan?

Pertama, pembersihan itu sulit dan mahal (mahal dalam arti ruang: diperlukan peralatan dan bahan habis pakai tambahan - dan biaya massa yang berguna lebih dari perolehan oksigen yang disimpan).

Kedua, pembersihan ini harus sangat sering - jika ada tiga di kereta, maka 1 kg grafit harus menetap pada katalis per hari.

Generasi III - segar

Sejak awal, Amerika memutuskan untuk tidak membuat reaksi Bosch, tetapi reaksi Sabatier. Seringkali disebut reaktor Sabatier, karena reaksinya tidak hanya membutuhkan suhu tinggi, tetapi juga tekanan tinggi.

Reaksi ada pada katalis, hidrogen ditambahkan ke karbon dioksida, yaitu, reagen mirip dengan reaksi Bosch, tetapi reaksi memiliki hasil yang berbeda:

CO ₂ + 4H ₂ → CH ₄ + 2H ₂ O

air dan metana.

Keunggulan teknologi Sabatier dibandingkan Bosch adalah bahwa semua produk berbentuk gas dan mudah dikerjakan. Dalam versi yang sekarang dikirim ke ISS, metana dibuang begitu saja (seperti dalam sistem generasi ke-2, karbon dioksida dibuang).
Tapi ada yang minus. Ingat dari mana oksigen baru berasal dari stasiun. Dekomposisi air.
Oksigen masuk ke bisnis, dan hidrogen (dalam sistem generasi ke-2) dibuang begitu saja. Sekarang kita dapat (dan harus! Dari tempat lain kita perlu mengambil hidrogen untuk reaksi) untuk menggunakan hidrogen ini dengan mengirimkannya ke reaktor Sabatier.

Dan inilah nuansanya. Di dalam air, ada 2 atom hidrogen per atom oksigen. Dan dalam reaksi Sabatier, harus ada 4 atom hidrogen per 1 atom oksigen (2 digunakan untuk menggantikan ikatan oksigen dengan karbon, dan 2 hidrogen lagi dicetak untuk oksigen terlepas ini untuk membentuk air).

Jadi, jika Anda hanya mengandalkan elektrolisis air dan reaktor Sabatier, siklus oksigen dapat ditutup hanya sebesar 50%. Setengah dari CO ₂ dapat didaur ulang, tetapi untuk bagian yang tersisa, sudah tidak ada hidrogen.



(Jika Anda sedikit kewalahan pada saat ini, jangan berkecil hati. Bahkan penyusun siaran pers pertama di situs web ESA tidak segera menyadari apa yang terjadi, dan pada awalnya mereka membuat diagram alur yang salah dan melemparkan segala sesuatu pada inefisiensi katalis.)

Pada kenyataannya, tentu saja, sejauh ini ternyata tidak teoretis 50%, tetapi kurang, sekitar 40%. Di awal artikel, hanya reaktor Sabatier yang ditampilkan, elemen inovasi - di blok tawa, ada di sekitar panah hijau.

Seluruh sistem jauh lebih besar, seperti yang dimiliki orang Amerika sebelumnya. Volume penuh rak ilmiah, dalam setengah ton.

Prospek generasi keempat - perkembangan generasi ketiga?

Pertanyaan segera muncul: mengapa tidak menggunakan hidrogen tambahan? Dikirim ke ISS selain air yang akan kita gunakan untuk elektrolisis?

Sebenarnya. Pertimbangkan bagian CO ₂ yang harus dipancarkan ke dalam ruang hampa. Untuk setiap 12 massa karbon, kita kehilangan 32 massa oksigen. Dan jika kita menambahkan hidrogen yang hilang ke reaktor dan mengikat karbon di CH4, maka oksigen akan tetap di stasiun, dan di knalpot kita akan kehilangan hanya 4 massa hidrogen. Gain dalam massa adalah 32: 4 = 8 kali. 1 kg hidrogen akan menghemat 8 kg oksigen!

Masalahnya adalah hidrogen bukan air. Dimungkinkan untuk menggunakan wadah biasa untuk mengangkut air. Untuk kesederhanaan, kami memakai wadah 1/10 dari berat air yang dikirim.

Dalam kasus hidrogen, bahkan terkompresi, bahkan dicairkan, yang terjadi adalah sebaliknya: rasio massa tara terhadap massa hidrogen yang terkandung di dalamnya adalah ~ 10/1.

Kami tidak dapat mengirimkan hanya satu kilogram hidrogen ke ISS. Kami masih harus menaikkan 10 kilogram kontainernya.

Belum lagi kebutuhan untuk memecahkan masalah keamanan di sepanjang jalan: selama penyimpanan hidrogen ada kebocoran reguler di katup (jika dikirim sebagai gas), dan pembuangan serupa di wadah (jika dicairkan), karena kebutuhan untuk mempertahankan suhu rendah di dalam. Selain bahaya, kebocoran ini juga membuat penyimpanan jangka panjang menjadi tidak mungkin. Lubang hidrogen harus digunakan segera atau hilang secara tidak dapat dibatalkan.

Sebagai hasilnya, ternyata akan lebih mudah (dan lebih ekonomis) untuk mengirim ke ISS bukan hidrogen tambahan untuk reaktor Sabatier, tetapi air tambahan untuk elektrolisis. Dan bekerja dalam siklus setengah tertutup, membuang kelebihan karbon dioksida dalam ruang hampa.

Prospek generasi keempat - perkembangan lain dari generasi kedua

Sementara itu soal menutup sistem hanya dengan oksigen. Karbon dipandang sebagai unsur yang tidak berguna yang secara tak terelakkan memasuki sistem (melalui pernapasan manusia) dari makanan. Kami tidak memperhitungkan biaya massal untuk makanan yang secara konstan dimasukkan ke dalam siklus regenerasi udara.

Tetapi bagaimana jika Anda masih mencoba menghemat karbon? Bagaimana jika kita mengekstrak oksigen dari karbon dioksida dengan mengikat karbon ke karbohidrat, bukan metana?

Karbohidrat, jika Anda hanya melihat jumlah unsur kimia penyusunnya, adalah campuran karbon dan air yang kira-kira sama.

Ingat massa atom peserta: hidrogen - 1, karbon - 12, oksigen - 16.

Mari kita bandingkan efektivitas metode pengikatan karbon yang dipertimbangkan, dari sudut pandang massa zat yang dibuang ke ruang hampa udara (yang sebelumnya harus diangkat ke stasiun dari tanah!):

1. Ketika membuang semua CH ₄ ke laut (dan hidrogen juga dikirim ke sana dari elektrolisis), kita kehilangan dua molekul air untuk setiap atom karbon, yaitu, untuk 1 massa karbon 3 massa air.
2. Dalam reaksi Sabatier (karena kekurangan hidrogen), kita kehilangan molekul air untuk setiap atom karbon, yaitu, untuk 1 massa karbon, 1,5 massa air
3. Ketika dikonversi menjadi karbohidrat, kita mengkonsumsi molekul air untuk setiap atom karbon, yaitu, untuk 1 massa karbon, 1,5 massa air.

Seperti yang Anda lihat, siklus elektrolisis + Sabatier memiliki efisiensi yang sama dengan siklus elektrolisis + karbohidrat.

Tapi! Selama reaksi Sabatier, kami membuang zat ini dari stasiun, kehilangan itu tidak dapat dibatalkan. Dan karbohidrat - Anda dapat mencoba membuatnya cocok untuk makanan?

Makanan para astronot harus mengandung tidak hanya karbohidrat (untuk kesederhanaan, 400 gram), tetapi juga lemak (100 gram) dan protein (100 gram). Karena itu, menutup siklus oksigen dan nutrisi, hanya membuat karbohidrat dari karbon dioksida, tidak akan berfungsi. Tetapi untuk mengganti setidaknya bagian karbohidrat dari produk? Ini 2/3, jika komposisi kering!

Kemudian saldo akhir akan berubah:

- di satu sisi, kami mengurangi konsumsi air sebanyak 3 kali dibandingkan dengan siklus melalui Sabatier (dari 560 g menjadi 165, ini untuk pengikatan karbohidrat dari karbon yang berasal dari protein dan lemak yang dimakan, 110 g; secara teoritis, bahkan 165 gram ini air tidak dapat dihapuskan, dan menghemat gula di papan, tetapi itu tidak akan dibutuhkan untuk siklus, pasokan karbohidrat murni akan menumpuk),

- Plus, konsumsi makanan (komposisi kering) menjadi 400 g lebih sedikit per orang / hari (kami menutup siklus makanan untuk karbohidrat).

Secara total, keuntungannya ~ 700 g per orang / hari.

Apa yang diharapkan

Untuk meringkas: NASA, ESA melihat prospek untuk kembali ke sistem regenerasi sebelumnya (melalui adsorber tanpa reaktor Sabatier) - hanya sekarang, ketika membongkar adsorben, gunakan bukan vakum terbuka, tetapi laboratorium. Ruang vakum tertutup tempat karbon dioksida dipompa dan disimpan untuk mengarahkannya ke produksi karbohidrat.
Dan masih ada hal sepele: bagaimana mengubah karbon dioksida menjadi karbohidrat?

1. Anda dapat mencoba melakukan ini secara kimiawi. Tetapi itu sulit. Jika sederhana, kita akan lama mengangkut gula dan bio-feed bukan dari perkebunan, tetapi dari ekstensi ke pembangkit listrik.
2. Anda dapat mencoba melakukan ini secara biologis, melalui fotosintesis, tetapi tidak semuanya lancar di sini.

, , . ( , — . , .)

NASA , .

ESA , , .

?

. NASA , : , — , CO ₂ . , , .

, , — , , .

	CO 2	1 (/ /)		/.
		50 O 2 - 2
I	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 .
² .
³ / .
⁴ ; ⁵ , 0,4 ( ), ( ), — ( , ).

,

( , , ), , .

, . , , : , ~80% . ~1 . ( , . . .)

, , CO ₂ , — .

Oleh karena itu, tujuan sebenarnya yang ditetapkan NASA adalah untuk membawa penutupan sistem dari saat ini 40% menjadi 75%.

Tetapi bahkan jika ternyata kedua siklus ini mendekati nol, atau hampir nol, dan itu belum semuanya. Ini tidak berarti sama sekali bahwa seseorang dapat sepenuhnya bekerja dalam siklus tertutup pada oksigen dan air.

— . . , , «» , — . «», , . , , — . , , ~1-2 .