Приблизиться к Марсу, рассмотреть Венеру. И дышать атмосферой Земли.

Рвение человека к космическим полётам настолько сильно, что часто забывается, в каких узких диапазонах физических параметров — давления, температуры, состава атмосферы — мы вообще можем существовать. 17 Май 2016, 10:23


Рвение человека к космическим полётам настолько сильно, что часто забывается, в каких узких диапазонах физических параметров — давления, температуры, состава атмосферы — мы вообще можем существовать. И, хотя наша природная беззащитность не помешала достичь Луны, для долгих путешествий к планетам нужно продумать систему жизнеобеспечения особо тщательно. 

Самое базовое, что мы рассмотрим — это поддержание атмосферы. Она складывается из трёх основных частей: возобновление кислорода, поглощение углекислого газа и нейтрализация вредных примесей. 

1. Выработка кислорода

В первых американских космических кораблях атмосфера состояла из чистого кислорода с пониженным давлением – порядка 260 мм ртутного столба (более высокое парциальное давление кислорода опасно для человека); такой состав атмосферы упрощал конструирование бортовых систем и было удобным при переходе на работу в скафандрах. Запасы кислорода хранились либо в прочных тяжелых баллонах под большим давлением (300 – 500 атм), что увеличивало массу корабля («Меркурий»), либо криогенно — в сжиженном при -183 °С виде. Но последний способ хоть и облегчал нагрузку, но был чувствителен к изменениям температуры — испарение происходит непрерывно, зачастую обильнее, чем нужно экипажу, а ещё в условиях невесомости оказалось сложной задачей отделять пары газа от жидкой фазы для подачи в обитаемый отсек. Поэтому такой способ применялся на кораблях «Джемини», «Аполлон» и «Шаттл», когда большую часть кислорода из единого контура газификации нужно непрерывно использовать как окислитель для систем энергопитания. Это ставило жёсткие рамки на продолжительность полёта.

На кораблях «Восток», «Восход» всё изначально было проще: атмосфера была близка к земной, и кислород находился в химически связанном состоянии — в надперекиси калия. Воздух кабины при помощи вентилятора непрерывно прогонялся через специальные сменные патроны, где и происходила реакция: 
2KO2 + H2O = 2KOH + 3/2 O2
Образующаяся в результате выделения кислорода щелочь далее поглощала углекислый газ, что хитро решало сразу две проблемы поддержания атмосферного cоcтава. 
2KOH + CO2 = K2CO3 + H2O

В настоящее время в российском сегменте МКС используется разработанная НИИхиммаш система «Электрон-ВМ». Её назначение – получение кислорода для дыхания экипажа путем электролиза воды и дальнейшей каталитической очисткой кислорода. В электролизном блоке содержится 25% раствор гидроксида калия, и при прохождении электрического тока через раствор KOH вода разлагается на кислород и водород. Кислород подается непосредственно в атмосферу служебного модуля, а водород сбрасывается в вакуум. Разложение 1 кг воды происходит со скоростью выделения 25 л кислорода в час, что достаточно для обеспечения дыхания одного человека в течение суток. Потребляемая мощность при этом — 800 Вт для двоих человек за сутки, для мощных солнечных батарей это не критично. Опыт эксплуатации на МКС показал, что система сохраняет свою работоспособность не менее 3 лет, а потому идеально подходит для дальних космических полётов. 

2. Поглощение углекислого газа

СO2 можно удалять различными способами, например, химическим поглощением (с расходом вещества-поглотителя и без), физическим (вымораживание углекислоты из потока воздуха при низких температурах). Наименее энергоёмок первый способ. На первых американских космических кораблях использовалась гидроокись лития, которая реагирует с СO2 и образует карбонат лития и воду:
2LiOH + CO2 -> Li2CO3 + H2O
В советских кораблях, как уже было сказано, вместо LiOH использовался KOH. Этот способ прост по конструктивному оформлению, однако карбонат лития нельзя регенерировать (восстановить снова до LiOH, чтобы использовать повторно). Сейчас этот метод используется в запасных поглотительных патронах.

Так как человек в среднем выделяет в час 20 л углекислого газа, то использовать в длительных полётах огромный запас щелочных патронов невыгодно — поглотитель должен быть восстанавливаемым (регенерируемым). Применяемые в настоящее время твёрдые поглотители-адсорбенты представляют собой капиллярнопористые вещества с существенно развитой внутренней поверхностью (в 1 грамме — до тысяч кв метров). Это позволяет концентрировать в одном литре объёма поглотителя до сотен литров поглощаемого газа даже при очень низких его концентрациях в атмосфере. Наиболее эффективны для поглощения углекислого газа цеолиты - минералы с алюмосиликатной основой. Но так как цеолиты - активные поглотители воды, что помешает адсорбции углекислого газа, то воздух в подобных системах должен предварительно поддаваться осушке с помощью силикагеля - обезвоженного геля кремниевой кислоты (мы все встречали пакетики с этим адсорбентом в коробках из-под новой обуви). Для обеспечения непрерывного процесса поглощения углекислого газа применяют одновременно несколько патронов: один адсорбирует до насыщения, в то время как другие избавляются от CO2 при открытом клапане с помощью вакуума за бортом — за счет разности давлений. На описанных принципах (осушка воздуха силикагелем, адсорбция CO2 цеолитом) основана система поглощения углекислого газа «Воздух», разработанная РКК «Энергия» и успешно функционирующая на МКС. 

3. Удаление вредных примесей

Источниками вредных примесей в замкнутом отсеке может быть человек, неметаллические материалы и покрытия (полимеры, клеи, лаки), микроутечки из бортовых систем. И это не просто предостережение — на американском сегменте в контурах системы охлаждения находится 300 кг аммиака. По массе количество примесей в атмосфере невелико - до 1 г/сут, но многие из этих веществ могут стать токсичными. Поэтому применяются системы со специальными фильтрами, например, российская СБМП. Она использует адсорбцию угольным фильтром для «тяжелых» углеводородов (всем известный активированный уголь действительно надежное средство) и каталитические окисление (водород превращается в воду, угарный газ в углекислый). 

Итак, для осуществления долгосрочного космического полёта в системе жизнеобеспечения корабля разумно использовать уже проверенные аппараты «Электрон-ВМ», «Воздух» и фильтры вредных примесей. Но что делать, если произойдет поломка? Такое не раз случалось: на станции Мир, в ходе 23-й экспедиции, вышли из строя почти одновременно и «Электрон», и система терморегуляции, из-за которой пришлось отключить систему «Воздух». Температура повысилась до 30°С, дефицит кислорода, нарастающая концентрация CO2 — ремонт пришлось вести в противогазах. Благо, на станции находился запас сжатого кислорода, а также твердотопливные генераторы O2 и литиевые патроны-поглотители CO2. Их запас на корабле/станции должен быть достаточным на время ремонта основных систем.
Андрей Борисенко, Александр Самокутяев и Сергей Волков с тремя блоками «Электрон-ВМ»
Во время одной из поломок «Электрона» электролит стал проникать в трубу выхода водорода. На внешней части МКС видно, как сопло покрыто кристаллами
Александр Скворцов проводит замену комплекта сменных магистралей откачки конденсата системы кондиционирования воздуха
Олег Артемьев меняет фильтры
Блок очистки микропримесей
Эпичная история «Аполлона-13»: попытка подсоединить квадратный картридж с гидроксидом лития для поглощения CO2 в круглое отверстие системы жизнеобеспечения*.
*Экипажу «Аполлона-13» пришлось пережить множество проблем, всё началось с аварии на третьи сутки - взрыва бака с жидким кислородом в служебном модуле. После этого командный модуль лишился воды и энергии, экипажу пришлось перебраться в Лунный.
На пятые сутки полёта система регенерации воздуха в Лунном модуле перестала поглощать углекислый газ (она была рассчитана на двух человек, а тут трое). Дополнительные кассеты остались в командном модуле, но они были квадратными, а отверстия в системе жизнеобеспечения лунного модуля - круглые! Разными модулями занимались разные компании. Вот пришлось хитрить.
Есть замечательный художественный фильм «Аполлон-13», там это подробно описывается.

Статьи на тему: здесь и здесь.

Фотографии в статье: РКК «Энергия» и NASA.