Dióxido de carbono na ISS

Em outubro, um novo sistema (fundamentalmente) de regeneração do ar foi instalado na ISS, o que dobrará o fechamento do ciclo do ar.



No entanto, se tudo estiver indo bem com o progresso tecnológico, essa opção não durará muito e teremos uma reversão para o tipo de sistema anterior . Mas se o progresso parar, o novo sistema se tornará o padrão ouro por décadas.

Resumo: O que é entupimento: pouco oxigênio? - Padrões de CO _{2 da} NASA e da Marinha dos EUA - Quanto CO ₂ uma pessoa emite? - Geração I de sistemas de regeneração de ar - Geração II - Geração III - Perspectivas para sistemas com regeneração completa - Tabela comparativa

O que é entupimento?

Todo mundo sabe que o oxigênio é necessário para respirar. Muitos têm certeza de que o entupimento da sala ocorre porque parte do oxigênio foi exalado na sala; e arejar é necessário para que um novo chegue da rua.

De fato, não é assim.

A pessoa média consome oxigênio ~ 1 kg / dia (ou ~ 1/2 g / minuto).

Na sala do meio (3x5x2,6 = 40), em condições normais (conteúdo _de O2 _de 0,28 kg / m ³ ), expire o oxigênio para um nível baixo, pois nas montanhas, uma pessoa deve respirar por uma semana.

Na realidade, como você pode ver facilmente, a parede na sala por uma semana não funcionará. Se uma pessoa se fecha hermeticamente no quarto, dificilmente passará uma noite assim. Em algumas horas, o sono ficará inquieto, haverá uma crescente sensação de congestão. O dia em tal sala se tornará tortura - não alegoricamente, mas no sentido mais literal. Fisicamente, uma pessoa ficará muito doente.

Não é oxigênio, mas dióxido de carbono, que uma pessoa exala em troca.

Quanto CO ₂ uma pessoa emite?

No ar fresco, o conteúdo de CO _{2 é de} ~ 0,04% (0,5 g / m ³ ).

Com um aumento no conteúdo para 0,7% e mais, é cada vez mais difícil ignorar o entupimento. Isso não é apenas desconforto psicológico, mas também mudanças fisiológicas visíveis (de 1%): aumento da frequência e profundidade da respiração, aumento da pressão, freqüência cardíaca e aumento da transpiração; aumenta o número de erros em trabalhos complexos, começa uma dor de cabeça, a concentração máxima se torna inatingível (de 2%). Em estudos civis, não experimente conteúdos acima de 2,5%.

É claro que, tendo consumido 1 kg de O ₂ , um homem expira cerca de 1,4 kg de CO ₂ .


Em nossa sala murada, com um volume de 40 m ³ , com ar inicialmente perfeitamente fresco, uma pessoa dobrará o conteúdo "natural" de CO ₂ em 20 minutos. Durante a noite mais de 20 vezes - até 1%. Até 3% ao dia.

Padrões da NASA e da Marinha dos EUA

Na vida terrena, esses lugares murados onde a janela não abre e você precisa trabalhar por muitos dias seguidos são submarinos.

Existem muito mais submarinistas que astronautas. E o trabalho deles não é menos complicado e responsável. Portanto, existem estatísticas grandes e de alta qualidade.

Ao desenvolver sistemas de regeneração espacial, eles são guiados por essa experiência, mas os padrões para os astronautas são mais humanos, a NASA decidiu usar um fator 1/3 por um longo período:



Isso é 0,8%.

No entanto, na realidade, a NASA está tentando manter o nível da ISS não superior a 0,5%. O fato é que, mesmo nesse nível, astronautas individuais começam a sentir desconforto - psicólogos do MCC notam que o comportamento das pessoas muda significativamente, mesmo que elas mesmas não se queixem.

E surge a necessidade: como manter baixo CO2 no ar?

0ª geração - soprando

Historicamente, esta é a primeira decisão, porque a mais simples.



Simplesmente existe uma eliminação gradual de oxigênio da atmosfera do traje espacial. O dióxido de carbono liberado durante a respiração é liberado no vácuo - junto com o restante da mistura. Onde ainda há muito oxigênio para respirar.

É claro que, como um sistema regular, isso só existia no início da exploração espacial.
Agora, esse sistema é usado apenas como um sistema de backup em trajes espaciais. Ou seja, no caso de um mau funcionamento do sistema principal (veja abaixo, a próxima geração), ou como uma expansão de emergência no tempo, quando o sistema principal já estiver esgotado e o astronauta não tiver tido tempo de retornar. O tempo operacional estimado de um sistema sobressalente em um traje espacial moderno é de meia hora.

Para deixar claro como esse sistema é ineficaz: nessas meia hora são gastos 1,2 kg de oxigênio soprando, dos quais uma pessoa absorve 15 a 20 gramas. Eficiência inferior a 2%.

I geração - os famosos "damas" para o ar

Esse sistema de regeneração tornou-se o principal quase imediatamente - e permaneceu uma década.

Ele foi usado tanto pelo primeiro homem na lua quanto pelas últimas pessoas no ônibus espacial (embora naquela época na ISS e antes no Mir e até no Skylab, a próxima geração já tivesse sido usada como uma versão padrão, veja abaixo).

O ar é acionado em ciclo fechado, sem descarga para o exterior. A perda de oxigênio é compensada pelo fato de que o oxigênio é misturado dos cilindros (ou, posteriormente, da eletrólise da água), e os recipientes de hidróxido de lítio são usados ​​para remover o CO2:

2LiOH + CO ₂ → Li ₂ CO ₃ + H2O

O dióxido de carbono se liga ao carbonato de lítio. Formalmente, a água é liberada nessa reação, que poderia ser (teoricamente) tentada a ser extraída e decomposta em hidrogênio e oxigênio, que pode ser usada novamente.

Na realidade, depois de usar o verificador, com todo o seu conteúdo, ele vai para o lixo. Devido à sua compacidade, esse sistema é usado como sistema padrão em todos os trajes espaciais modernos e navios de entrega (Soyuz, futuro americano). Devido à sua simplicidade e confiabilidade, esse sistema é considerado sobressalente / adicional no ISS - se o sistema regular estiver com defeito; se houver muitas pessoas na estação e o sistema principal não conseguir lidar com isso.

Quando os ônibus espaciais ainda voavam para a ISS, cada um deles tinha uma multidão inteira e todos passaram mais tempo na estação do que o voo estimado do ônibus - não havia dois sistemas ISS em tempo integral (russo e americano), eles queimavam constantemente suas peças no ônibus, e depois outra parcela significativa do estoque de rascunhos na ISS. Em seguida, novas cargas foram lançadas em navios cargueiros.

Um verificador americano moderno contém 3 kg de LiOH,



Russo 5 kg.

Com as damas, idealmente, muito menos é perdido de forma insubstituível: dióxido de carbono retirado pelas damas; damas em si. (E, se você produz oxigênio da água, o hidrogênio liberado da água também é exagerado.)

Ao mesmo tempo, o maior desperdício em peso são os próprios verificadores. É possível de alguma forma sem gastar rascunhos?

Geração II - modo regular da ISS

Se for muito rude, essa é uma bandeja avançada para gatos com uma carga.

Temos uma substância que está bem saturada com gás - mas não existe, mas depende do diâmetro da molécula. O dióxido de carbono é capturado, quase sem nitrogênio e oxigênio. Ou seja, diante de nós está a chamada "peneira molecular". Desde o Skylab, é um zeólito .

Para que o zeólito não se molhe (umidade normal na estação, cada pessoa exala um litro de água por dia), primeiro o ar é seco. Esfria. E servido em uma câmara com zeólita.



Existem duas dessas câmeras (no sistema americano) ou três (no russo). Por um tempo, uma das câmaras absorve dióxido de carbono e o fluxo de ar muda para a segunda. Nesse momento, um vácuo é aplicado dentro do primeiro e o zeólito é aquecido. O dióxido de carbono sai disso. Este é um ciclo. Agora podemos novamente usar a primeira câmara para purificação do ar e colocar a segunda sobre intemperismo no vácuo.

Idealmente, você tira apenas dióxido de carbono da atmosfera da ISS. Essa é sua perda irreparável (você envia esse gás ao mar) - mas os próprios adsorventes são usados ​​repetidamente, ao contrário de bandejas para gatos ou sistemas de xadrez. (Bem, é claro, continue jogando hidrogênio ao mar como um subproduto da eletrólise na produção de oxigênio.)

Pergunta: e se o dióxido de carbono fosse jogado ao mar era uma pena? Ele tem dois terços ou mais de oxigênio!

Geração 2.5 - experimental, sem êxito

Eles tentaram desenvolver um sistema para o Mir, mas nada de bom veio disso.

Por um lado, é preciso prestar homenagem à coragem dos engenheiros soviéticos. Se o sistema funcionasse, seria um fechamento completo do ciclo por oxigênio.

Por outro lado, não se pode deixar de lembrar o clássico - "Baby, você está estourando?" Talvez se os esforços fossem direcionados para uma tarefa menos ambiciosa (os americanos, desde o início, todo o trabalho foi realizado precisamente em uma tarefa menos ambiciosa, embora tivessem muito mais recursos), os engenheiros soviéticos o teriam resolvido perfeitamente, e os sistemas da terceira geração teriam sido usados ​​com sucesso trinta anos de idade.

Qual é a ideia? Para transformar o dióxido de carbono em oxigênio, você pode usar a chamada reação de Bosch: o dióxido de carbono é misturado ao hidrogênio e, a alta temperatura, o dióxido de carbono é reduzido primeiro ao monóxido de carbono e depois o monóxido de carbono decai para o carbono atômico no catalisador. Acontece água (vapor) e carbono na forma de depósitos:

CO ₂ + 2H ₂ → C + 2H ₂ O

Já a partir da descrição, a reação é visível e a principal dificuldade: a reação está no catalisador, que é coberto com uma camada de grafite. E o que fazer?

Em primeiro lugar, a limpeza é difícil e cara (cara no espaço: são necessários equipamentos e consumíveis adicionais - e o custo da massa útil é mais do que o ganho de oxigênio armazenado).

Em segundo lugar, essas limpezas devem ser muito frequentes - se houver três no carro, 1 kg de grafite deve se depositar no catalisador por dia.

Geração III - fresca

Desde o início, os americanos decidiram não fazer uma reação de Bosch, mas uma reação de Sabatier. Muitas vezes, é chamado de reator Sabatier, já que a reação requer não apenas alta temperatura, mas também alta pressão.

A reação está no catalisador, o hidrogênio é adicionado ao dióxido de carbono, ou seja, os reagentes são semelhantes à reação de Bosch, mas a reação tem um rendimento diferente:

CO ₂ + 4H ₂ → CH ₄ + 2H ₂ O

água e metano.

A vantagem tecnológica da Sabatier sobre a Bosch é que todos os produtos são gasosos e fáceis de trabalhar. Na versão agora entregue à ISS, o metano é simplesmente jogado fora (como nos sistemas da 2ª geração, o dióxido de carbono é jogado fora).
Mas há um sinal de menos. Lembre-se de onde vem o novo oxigênio na estação. Decomposição da água.
O oxigênio entra nos negócios e o hidrogênio (nos sistemas de 2ª geração) é simplesmente jogado ao mar. Agora podemos (e devemos! De algum lugar precisamos pegar hidrogênio para a reação) usar esse hidrogênio enviando-o ao reator Sabatier.

E aqui está a nuance. Na água, existem 2 átomos de hidrogênio por átomo de oxigênio. E na reação de Sabatier, deve haver 4 átomos de hidrogênio por 1 átomo de oxigênio (2 é usado para substituir a ligação de oxigênio por carbono e mais 2 hidrogênio são moldados nesse oxigênio destacado para formar água).

Portanto, se você confiar apenas na eletrólise da água e no reator Sabatier, o ciclo do oxigênio poderá ser fechado apenas em 50%. Metade do CO ₂ pode ser reciclado, mas para a parte restante, já não há hidrogênio.



(Se você está um pouco sobrecarregado neste momento, não desanime. Mesmo os compiladores dos primeiros comunicados de imprensa no site da ESA não perceberam imediatamente o que estava acontecendo, e no início eles desenharam os fluxogramas errados e jogaram tudo com a ineficiência do catalisador.)

Na realidade, é claro, até agora, resulta não teórico de 50%, mas menos, cerca de 40%. No início do artigo, apenas o reator Sabatier é mostrado, um elemento de inovação - na risada do bloco, ele fica em torno da seta verde.

Todo o sistema é muito maior, exatamente como o que os americanos tinham antes. O volume total do rack científico, em meia tonelada.

Perspectivas da quarta geração - o desenvolvimento da terceira geração?

Surge imediatamente a pergunta: por que não usar hidrogênio adicional? Entregue à ISS além da água que usaremos para eletrólise?

De fato. Considere a porção de CO ₂ que deve ser emitida no vácuo. Para cada 12 massas de carbono, perdemos 32 massas de oxigênio. E se adicionarmos o hidrogênio que está faltando ao reator e ligarmos o carbono em CH4, o oxigênio permanecerá na estação e, no escapamento, perderemos apenas 4 massas de hidrogênio. O ganho em massa é 32: 4 = 8 vezes. 1 kg de hidrogênio economizaria até 8 kg de oxigênio!

O problema é que o hidrogênio não é água. É possível usar contêineres comuns para o transporte de água. Para simplificar, colocamos em um recipiente 1/10 do peso da água fornecida.

No caso do hidrogênio, mesmo comprimido, ou mesmo liquefeito, o oposto é verdadeiro: a razão entre a massa tara e a massa de hidrogênio contida nela será de ~ 10/1.

Não podemos entregar apenas um quilograma de hidrogênio à ISS. Ainda temos que levantar 10 kg de seu contêiner.

Sem mencionar que será necessário resolver problemas de segurança ao longo do caminho: ao armazenar hidrogênio, há um vazamento regular nas válvulas (se entregue como gás) e uma descarga semelhante nos contêineres (se liquefeito), devido à necessidade de manter uma temperatura baixa no interior. Além do perigo, esses vazamentos também tornam impossível o armazenamento a longo prazo. O hidrogênio do poço deve ser usado imediatamente ou irrevogavelmente perdido.

Como resultado, será mais fácil (e mais econômico) fornecer à ISS não hidrogênio adicional para o reator Sabatier, mas água adicional para eletrólise. E trabalhe em um ciclo semi-fechado, despejando excesso de dióxido de carbono no vácuo.

Perspectivas da quarta geração - outro desenvolvimento da segunda geração

Embora se tratasse de fechar o sistema apenas em oxigênio. O carbono era visto como um elemento inútil que inevitavelmente entra no sistema (através da respiração das pessoas) a partir dos alimentos. Não levamos em conta os custos em massa de alimentos que eram constantemente introduzidos no ciclo de regeneração do ar.

Mas e se você ainda tentar economizar carbono? E se extrairmos oxigênio do dióxido de carbono ligando carbono a carboidratos, não metano?

Os carboidratos, se você observar apenas o número de elementos químicos constituintes, é uma mistura aproximadamente igual de carbono e água.

Lembre-se das massas atômicas dos participantes: hidrogênio - 1, carbono - 12, oxigênio - 16.

Vamos comparar a eficácia dos métodos considerados de ligação de carbono, do ponto de vista da massa de substância descarregada no vácuo (que antes disso deve ser levantada do solo para a estação!):

1. Ao descarregar todo o CH4 ao mar (e o hidrogênio também é enviado para lá da eletrólise), perdemos duas moléculas de água para cada átomo de carbono, ou seja, para 1 massa de carbono 3 massa de água.
2. Na reação Sabatier (devido à falta de hidrogênio), perdemos uma molécula de água para cada átomo de carbono, ou seja, para 1 massa de carbono, 1,5 massa de água
3. Quando convertidos em carboidratos, consumimos uma molécula de água para cada átomo de carbono, ou seja, para 1 massa de carbono, 1,5 massa de água.

Como você pode ver, o ciclo de eletrólise + Sabatier tem a mesma eficiência que o ciclo de eletrólise + carboidrato.

Mas! Durante a reação do Sabatier, jogamos essa substância da estação, perdemos irrevogavelmente. E carboidratos - você pode tentar torná-los adequados para alimentação?

A comida dos astronautas deve conter não apenas carboidratos (por simplicidade, 400 gramas), mas também gorduras (100 gramas) e proteínas (100 gramas). Por isso, fechar o ciclo de oxigênio e nutrição, produzindo apenas carboidratos com dióxido de carbono, não funcionará. Mas substituir pelo menos a parte de carboidrato dos produtos? Isso é 2/3, se a composição seca!

O saldo final será alterado:

- por um lado, reduzimos o consumo de água em 3 vezes em comparação com o ciclo através do Sabatier (de 560 g para 165, isto é para ligação de carboidratos ao carbono proveniente de proteínas e gorduras consumidas, seus 110 g; teoricamente, mesmo esses 165 gramas a água não pode ser descartada e economiza açúcar a bordo, mas ela simplesmente não será procurada pelo ciclo, o suprimento de carboidratos puros se acumulará),

- Além disso, o consumo de alimentos (composição seca) diminui 400 g por pessoa / dia (fechamos o ciclo alimentar de carboidratos).

No total, o ganho é de ~ 700 g por pessoa / dia.

O que esperar

Para resumir: a NASA, a ESA vê a perspectiva de retornar ao sistema de regeneração anterior (através de adsorvedores sem um reator Sabatier) - somente agora, ao descarregar o adsorvente, use não um vácuo aberto, mas um laboratório. Câmaras de vácuo fechadas das quais o dióxido de carbono é bombeado e armazenado para direcioná-lo à produção de carboidratos.
E ainda resta um pouco: como converter dióxido de carbono em carboidratos?

1. Você pode tentar fazer isso puramente quimicamente. Mas é difícil. Se fosse simples, teríamos transportado açúcar e alimentos biológicos há muito tempo, não das plantações, mas das extensões das usinas de energia.
2. Você pode tentar fazer isso biologicamente, através da fotossíntese, mas nem tudo é bom aqui.

Aqui, os planos das agências realmente divergiram ou os líderes decidiram jogar em uma competição saudável e não colocar todos os ovos em uma cesta. (Essa é sempre uma boa opção, e especialmente quando se tem a experiência de competir com as reações de Sabatier e Bosch. Uma decolou e a outra não.) A

NASA anuncia concursos com milionésimos prêmios nos quais se oferece para produzir açúcar por meios puramente químicos.

A ESA promete no próximo ano elevar o tanque de algas da ISS e alimentar o dióxido de carbono que agora é redundante para o reator Sabatier.

E se nada der carboidratos do dióxido de carbono?

Você também pode tentar produzir carboidratos e hidrogênio a partir de metano e água. A NASA escolheu o dióxido de carbono como ponto de partida para capturar dois coelhos com uma cajadada: esta solução pode ser útil não apenas para fechar o ciclo de regeneração em voo, mas também para o crescimento ativo da matéria no planeta - na atmosfera de Marte, onde há CO ₂ . E aqui, na Terra, seria útil.

Mas o mais provável é que o circuito com o reator Sabatier continue sendo o mais eficaz - e, dada a velocidade real do progresso da tecnologia espacial tripulada, por décadas.

Tabela de comparação

geração	Método de remoção de CO 2	perdas 1 (/ pessoa / dia)	como um sistema regular	como um sobressalente / add.
	soprando	50 kg O 2 -contraction dois		trajes espaciais
Eu	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 Excluindo embalagem.
³ Excluindo os consumíveis de limpeza / substituição do catalisador.
⁴ Quando combinado com o ciclo alimentar de carboidratos; ⁵ ao mesmo tempo, o ciclo alimentar é fechado por carboidratos, ou seja, há 0,4 kg a menos de consumo de massa (peso seco de carboidratos nos alimentos), que é mais do que as perdas de água no ciclo do ar (se considerarmos suas perdas separadamente do saldo total), e formalmente isso pode ser interpretado como um aumento na massa útil (quando comparado com a situação em que os carboidratos entram no ciclo alimentar a partir do solo).

O que não foi mencionado acima, mas é útil entender a integridade.

Além das perdas durante a regeneração do ciclo respiratório (nos sistemas modernos, isso pode ser reduzido, como você pode ver, a algumas perdas de água), há perda de massa em outros ciclos associados às pessoas.

Primeiro de tudo, é um ciclo de banheiro. Mesmo quando os sistemas que tentam fechar esse ciclo são usados ​​ao máximo na ISS, a eficácia desses sistemas é limitada: ~ 80% da água pode ser devolvida ao ciclo a partir de vários quilos de água e comida. Ou seja, perdas de ~ 1 kg por pessoa por dia. (Isso não está contando os recipientes em que o alimento chega. Nem tudo é liofilizado em saquetas. Existem também latas comuns.)

Portanto, não faz sentido fazer esforços realmente fantásticos, tentando melhorar ainda mais o sistema de regeneração de CO ₂ , até as perdas em ciclo de banheiro.

Portanto, o objetivo real da NASA é trazer o fechamento do sistema dos atuais 40% para 75%.

Mas, mesmo que esses dois ciclos sejam próximos de zero, ou quase zero, e isso não é tudo. Isso não significa que uma pessoa possa trabalhar totalmente em ciclo fechado com oxigênio e água.

Toda saída para o espaço sideral é uma inevitável perda de água. É usado para esfriar o traje. Embora, à primeira vista, possa parecer que tanto o traje espacial quanto a “mochila” do sistema de suporte à vida estejam completamente cobertos por isolamento térmico, não. A extremidade inferior da "mochila", que termina sob a bunda do astronauta, não está coberta. Este é o radiador do refrigerador, e no radiador do poro, onde a água do circuito externo é fornecida - para evaporação. Para uma saída, dependendo da duração, são perdidos ~ 1-2 kg por participante da saída.