国际空间站上的二氧化碳

10月，在国际空间站上安装了一个新的（基本）空气再生系统，这将使空气循环的关闭时间增加一倍 。



但是，如果随着技术的进步一切进展顺利，那么该选项将不会持续很长时间，并且我们将回滚到以前的系统类型。 但是，如果进展停滞不前，新系统将成为数十年来的黄金标准。

摘要： 什么是闷气：少氧气？ -NASA和美国海军的CO ₂标准-一个人排放多少CO ₂ ？ -第一代空气再生系统-第二代-第三代-完全再生系统的前景-比较表

什么是闷？

每个人都知道呼吸需要氧气。 许多人确信房间里会出现闷气，因为一部分氧气被排出了房间。 并且必须播出，以便有新的人从街上赶来。

实际上，事实并非如此。

一般人每天消耗氧气约1公斤（或约1/2克/分钟）。

在正常条件下（O ₂含量_为 0.28 kg / m ³ ），要在中间房间（3x5x2.6 = 40）中将氧气呼出至低水平，就像在高山上一样，一个人应该呼吸一周。

如您所见，实际上，将房间围起来一个星期是行不通的。 如果一个人密闭地关在卧室里，他几乎不会像这样度过一个晚上。 几个小时后，睡眠会变得焦躁不安，越来越多的人感到闷闷不乐。 在这样一个房间里度过的日子将成为折磨-并非寓言，而是最真实的意义。 身体上，一个人会生病。

作为回报，人呼出的不是氧气，而是二氧化碳。

一个人排放多少CO ₂ ？

在新鲜空气中，CO ₂的含量约为0.04％（0.5 g / m ³ ）。

随着含量增加至0.7％，并且越来越难以忽略闷气。 这不仅是心理上的不适，还包括明显的生理变化（从1％起）：呼吸频率和深度的增加，压力，心率的增加和出汗的增加； 复杂工作中错误的数量增加，头痛开始，无法达到最大浓度（从2％开始）。 在民用研究中，不要进行含量超过2.5％的实验。

显然，一个人消耗了1千克O ₂ ，就会呼出大约1.4千克CO ₂ 。


在容积为40m ³的封闭式房间中，空气原本是完美的新鲜空气，一个人将在20分钟内将“自然” CO ₂含量增加一倍。 一整夜超过20次-高达1％。 每天最多3％。

NASA和美国海军的CO ₂标准

在尘世生活中，这类潜艇是潜艇，在这些没有围墙的地方，窗户无法打开，您必须连续工作很多天。

潜水员比宇航员要多得多。 他们的工作同样复杂而负责。 因此，有大量高质量的统计信息。

在开发空间再生系统时，他们会以这种经验为指导，但是对宇航员的标准设定了更人性化的要求，因此，NASA长期考虑采用1/3的系数：



就是0.8％。

但是，实际上，NASA试图将ISS的水平保持在不超过0.5％。 事实是，即使在这样的水平上，个别宇航员也开始感到不适-MCC的心理学家注意到，即使他们自己不抱怨，人们的行为也会发生重大变化。

并且产生了需求：如何保持空气中的低CO ₂ ？

第0代-吹

从历史上看，这是第一个决定，因为这是最简单的。



太空服的气氛只是逐渐地被氧气清除。 呼吸过程中释放的二氧化碳与其余混合物一起释放到真空中。 那里仍然有很多氧气可以呼吸。

显然，作为常规系统，这仅存在于太空探索之初。
现在，该系统仅用作宇航服的备用系统。 也就是说，在主系统发生故障（见下文，下一代）的情况下，或者作为紧急时间扩展，当主系统已经用尽并且宇航员没有时间返回时。 在现代太空服中，这种备用系统的预计运行时间为半小时。

要弄清楚这种系统是如何无效的：在这半小时内，吹炼将花费1.2千克氧气，其中一个人将吸收15-20克氧气。 效率低于2％。

我一代-著名的“跳棋”

这种再生系统几乎立即成为主要系统-并持续了十年。

月球上的第一个人和航天飞机上的最后一个人都使用了它（尽管那时是在国际空间站上，在此之前是在和平号上甚至在Skylab上，下一代已经用作标准版本，请参见下文）。

空气以密闭循环驱动，不会排放到外部。 氧气的损失可以通过以下方式得到补偿：氧气从钢瓶中混合（或随后从水的电解中混合），并且使用氢氧化锂容器除去CO ₂ ：

2LiOH + CO ₂ →Li ₂ CO ₃ + H ₂ O

二氧化碳与碳酸锂结合。 形式上，在该反应中释放出水，可以（理论上）尝试将其提取并分解为氢和氧，然后可以再次使用。

实际上，在使用了检查器及其所有内容之后，它就被扔进了垃圾箱。 由于其紧凑性，这种系统被用作所有现代太空服和运载船的标准系统（Soyuz，未来的美国人）。 由于其简单性和可靠性，如果常规系统出故障，则在ISS上将此类系统视为备用/附加。 如果车站人太多，则主系统无法应付。

当航天飞机仍在飞往国际空间站时，每个人都有一大群人，而且他们在车站停留的时间都比航天飞机的预计飞行时间要多-两种全时国际空间站系统（俄罗斯和美国）不够，他们不断在航天飞机上烧掉跳棋，然后是国际空间站的草稿存量的另一重要部分。 然后，新货物被扔到货船上。

现代的美国检查器包含3千克LiOH，



俄罗斯5公斤。

理想情况下，使用棋盘格，损失的损失将不可替代：棋盘格带走的二氧化碳少得多； 跳棋本身。 （而且，如果您从水中产生氧气，那么从水中释放出的氢气也会从水中排出。）

同时，按重量计算，最大的浪费是检验员本身。 不花费草稿就可能以某种方式吗？

II代-国际空间站的常规模式

如果非常不礼貌，那么这是带填料的高级猫咪托盘。

我们有一种被气体充分饱和的物质-但不是任何一种，但取决于分子的直径。 捕获了二氧化碳，几乎没有氮气和氧气。 也就是说，在我们面前的是所谓的“分子筛”。 自Skylab时代以来，它就是一种沸石 。

为了使沸石不被弄湿（工作台上的正常湿度，每个人每天呼出一升水），首先要干燥空气。 冷静下来。 并与沸石一起放入室内。



有两个这样的相机（在美国系统中），或者三个（在俄语中）。 一会儿，其中一个腔室吸收二氧化碳，然后气流切换到第二个腔室。 此时，首先在内部施加真空，然后加热沸石。 二氧化碳从里面出来。 这是一个周期。 现在，我们可以再次使用第一个腔室进行空气净化，并将第二个腔室置于真空中进行风化。

理想情况下，您仅从ISS气氛中吸收二氧化碳。 这是您无法弥补的损失（您将这种气体送出舷外）-但是吸附剂本身却被重复使用，这与猫托或格仔系统不同。 （当然，要继续将氢气作为氧气生产中电解的副产品扔向舷外。）

问题：如果将二氧化碳扔到外面很可惜？ 他有三分之二或更多的氧气！

第2.5代-实验性的，未成功

他们试图为Mir开发一个系统，但是没有带来什么好处。

一方面，必须向苏联工程师的勇气致敬。 如果系统正常工作，那就是氧气完全关闭了循环。

另一方面，人们不禁会想起经典的故事：“宝贝，你在爆发吗？” 也许，如果这些努力的目标是一项不太雄心勃勃的任务（美国人从一开始就在这样一项雄心勃勃的任务上完成了所有工作，尽管他们拥有更多的资源），那么苏联工程师将完全解决问题，并且第三代系统将被成功使用。三十岁。

有什么想法。 要将二氧化碳转化为氧气，可以使用所谓的Bosch反应：将二氧化碳与氢气混合，然后在高温下将二氧化碳首先还原为一氧化碳，然后在催化剂上将一氧化碳分解为原子碳。 结果是水（蒸汽）和沉积物形式的碳：

CO ₂ + 2H ₂ →C + 2H ₂ O

从描述中已经可以看出该反应是主要困难：该反应在催化剂上进行，催化剂上覆盖有一层石墨涂层。 怎么办？

首先，清洁是困难且昂贵的（在空间意义上是昂贵的：需要额外的设备和消耗品-有用物质的成本大于所储存氧气的收益）。

其次，这些清洗应该非常频繁-如果托架中有3个清洗，则每天应在催化剂上沉积1千克石墨。

第三代-新鲜

从一开始，美国人就决定不做出博世反应，而是做出萨巴蒂埃反应。 通常将其称为Sabatier反应器，因为该反应不仅需要高温，而且还需要高压。

该反应是在催化剂上进行的，将氢添加到二氧化碳中，即，试剂类似于博世反应，但该反应的收率不同：

CO ₂ + 4H ₂ →CH ₄ + 2H ₂ O

水和甲烷。

与Bosch相比，Sabatier的技术优势在于所有产品均为气体且易于加工。 在现在交付给国际空间站的版本中，甲烷被简单地丢弃（与第二代系统一样，二氧化碳也被丢弃）。
但是有一个减号。 回忆一下新氧气从哪里来。 分解水。
氧气开始运转，而氢气（在第二代系统中）被简单地抛弃了。 现在，我们可以（并且必须！从其他地方获取氢来进行反应）将其发送到Sabatier反应器以使用。

这就是细微差别。 在水中，每个氧原子有2个氢原子。 而且在Sabatier反应中，每1个氧原子应有4个氢原子（2个被碳取代氧键，另外2个氢被模制到该脱离的氧上形成水）。

因此，如果仅依靠水和Sabatier反应器的电解，则氧气循环只能关闭50％。 一半的CO ₂可以循环使用，但其余部分已经没有氢气。



（如果您此时有点不知所措，请不要气.。即使是ESA网站上第一批新闻稿的编译者也没有立即意识到正在发生的事情，起初他们画错了流程图，并把一切都推到了效率低下的地方。）

当然，到目前为止，实际上，事实证明不是理论上的50％，而是更少的40％。 在本文的开头，仅显示了Sabatier反应堆，这是一个创新元素-大笑起来，它围绕着绿色箭头。

整个系统要大得多，就像美国人以前拥有的系统一样。 科学货架的全部体积（半吨）。

第四代的前景-第三代的发展？

问题立即出现：为什么不使用额外的氢气？ 除了将用于电解的水外，还运送到国际空间站吗？

其实 考虑必须将CO ₂排放到真空中的部分。 每12质量的碳，我们就会损失32质量的氧气。 而且，如果我们将缺少的氢气添加到反应器中，并将碳结合在CH _4中 ，那么氧气将保留在该站，而在废气中，我们将仅损失4质量的氢气。 质量增益为32：4 = 8倍。 1公斤氢气将节省多达8公斤氧气！

问题在于氢不是水。 可以使用普通的容器来运输水。 为简单起见，我们将容器放到所输送水的重量的1/10处。

对于氢，至少是压缩的，甚至是液化的，情况是相反的：皮重与氢中所含氢的质量之比约为10/1。

我们不能只向国际空间站运送一公斤氢气。 我们仍然必须提高其集装箱10公斤的重量。

更不用说一路解决安全问题的需要了：在氢存储期间，由于需要保持内部低温，因此在阀门处经常发生泄漏（如果以气体形式输送），而在容器处也会发生类似的泄漏（如果液化）。 除了危险外，这些泄漏还使得无法长期存储。 坑氢必须立即使用或不可挽回地丢失。

结果，事实证明，向SISStier反应器输送更多的氢气而不是为Sabatier反应器输送更多的氢气，而是为电解输送更多的水将更容易（更经济）。 并在半封闭循环中工作，将多余的二氧化碳真空排放。

第四代的前景-第二代的另一个发展

虽然这是仅在氧气中关闭系统的问题。 碳被认为是无用的元素，不可避免地通过食物进入系统（通过人们的呼吸）。 我们没有考虑不断引入空气再生循环中的食品的大量成本。

但是，如果您仍然尝试减少碳排放怎么办？ 如果我们通过将碳与碳水化合物而不是甲烷结合而从二氧化碳中提取氧气怎么办？

如果仅查看组成化学元素的数量，则碳水化合物是碳和水的近似相等的混合物。

回忆参与者的原子质量：氢-1，碳-12，氧-16。

让我们从排放到真空中的物质质量的角度比较考虑的碳结合方法的有效性（在排放之前必须将其从地面抬起！）：

1. 当将所有CH ₄排放到船外时（氢也从电解中送出），对于每个碳原子，我们损失两个水分子，即1碳3质量的水。
2. 在Sabatier反应中（由于缺少氢），我们失去了每个碳原子的水分子，即，对于1质量的碳，1.5质量的水
3. 当转化为碳水化合物时，我们为每个碳原子消耗一个水分子，即，对于1的碳，1.5的水。

如您所见，电解+ Sabatier循环的效率与电解+碳水化合物循环的效率相同。

但是！ 在萨巴蒂埃反应期间，我们从加油站倾倒了这种物质，无法挽回地失去了它。 和碳水化合物-您可以尝试使它们适合食物吗？

宇航员的食物不仅应包含碳水化合物（为简单起见，为400克），还应包含脂肪（100克）和蛋白质（100克）。 因此，关闭氧气和营养的循环（仅从二氧化碳中产生碳水化合物）将无效。 但是要至少替代产品中的碳水化合物部分？ 如果是干成分，则为2/3！

然后，最终余额将更改：

-一方面，与通过Sabatier进行的循环相比，我们的耗水量减少了3倍（从560克减少至165克，这是因为碳的碳水化合物结合来自食用蛋白质和脂肪的碳，即110克；理论上，即使这165克不能注销水，并在船上节省糖分，但是循环中将不会有需求，纯碳水化合物的供应会累积），

-另外，每人每天的食物消耗（干组合物）减少400克（我们关闭了碳水化合物的食物循环）。

总共每人/天可增加约700克。

期待什么

总结：NASA，ESA看到了返回到以前的再生系统的前景（通过不带Sabatier反应器的吸附器）-直到现在，当卸载吸附剂时，不使用开放式真空，而是使用实验室真空。 密闭的真空室，从中抽出二氧化碳并进行储存，以将其引导至碳水化合物的生产中。
而且仍然只是琐碎的事情：如何将二氧化碳转化为碳水化合物？

1. 您可以尝试纯粹以化学方式进行此操作。 但这很难。 如果简单的话，我们就不会从种植园而是从扩展工厂到发电厂长期运输糖和生物饲料。
2. 您可以尝试通过光合作用以生物学方式进行此操作，但此处并非一切都顺利。

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