Откуда берутся вода и кислород на МКС? Регенерация воды на МКС Откуда воздух на космической станции.

Чем пахнет в открытом космосе?

Почувствовать запах в открытом космосе невозможно, и мешают этому сразу несколько вещей. Во-первых, запах создают молекулы, выделяемые каким-нибудь пахучим веществом. Но в космосе пустота, а значит, там нет ни пахучих веществ, ни молекул, создающих запах, там просто нечему пахнуть. Во-вторых, все нормальные люди будут выходить в открытый космос в герметичном скафандре, а значит, ничего «космического» человеческий нос не вдохнёт. Зато на космической станции, где обитают космонавты запахов предостаточно.

Чем пахнет на космической станции?

Когда космонавты попадают на станцию и снимают шлем скафандра, они чувствуют особенный запах. Запах очень резкий и странный. Говорят, что он похож на запах старого засохшего куска жареного мяса. Однако в этом «аромате» чувствуется ещё запах раскалённого металла и сварочной гари. Космонавты на удивление единодушны в использовании «мясо-металлических» терминов при описании запаха на международной космической станции. Иногда, правда, некоторые добавляют, что часто пахнет озоном и чем-то кислым, немного едким.

Откуда берётся этот запах на МКС?

Представьте себе, как устроено воздушное снабжение на станции, и вы сразу найдёте ответ на это вопрос. На МКС нельзя открыть форточку чтобы проветрить помещение и впустить свежий воздух снаружи: там попросту нет воздуха. Дыхательную смесь привозят с Земли раз в несколько месяцев, поэтому на станции люди дышат одним и тем же воздухом, который очищают специальными фильтрами. Эти фильтры, конечно, не идеальны, поэтому некоторые запахи остаются.

Наши космонавты сравнивают станцию с жилым домом, в котором может пахнуть как угодно. Пахнет сам «дом»: материалы обшивки и детали приборов. В «доме» живут люди, поэтому, кроме этих технических запахов, на станции присутствуют и привычные для нас, земные запахи: например, такие, как аромат борща или солянки. Когда кто-то из космонавтов собирается пообедать, у него не получится сделать это в одиночку. Остальные узнают об этом, даже находясь в другом конце станции. Запахи на станции распространяются очень быстро, так как воздух постоянно перемешивается системой вентиляторов. Это необходимо, чтобы вокруг космонавтов не скапливалось облако выдыхаемого ими углекислого газа. Если воздух не перемешивать, вокруг космонавта будет повышаться уровень углекислого газа, и человек будет чувствовать себя всё хуже и хуже.
Все мы знаем, что каждый воспринимает запахи по-своему: некоторые ароматы, любимые одними членами экипажа, могут вызывать у других отторжение и аллергию, поэтому список продуктов, которые можно взять с собой, строго регламентирован. Однако некоторые люди всегда сопротивляются даже самым разумным запретам, как, например, американский астронавт Джон Янг, в 1965 году взявший на борт корабля сэндвич с ветчиной. Члены экипажа сначала оценили резкий раздражающий запах ветчины, а потом долго собирали пахучие хлебные крошки, разлетевшиеся по кораблю и чудом не повредившие оборудование. Космонавты – люди очень воспитанные, поэтому никто не узнал, что они думали, собирая эти крошки.

Когда вы прилетите на станцию, кроме технических и «съедобных» запахов вы ощутите ещё и едкий запах человеческого пота и отшелушивающейся естественным путём кожи. Запах пота досаждает нам и в земных условиях, а в космосе человек потеет ещё сильнее. Так, при серьёзных нагрузках космонавты могут потерять около двух килограммов веса и, как вы понимаете, сильно вспотеть. Прибавьте к этому тот факт, что душа на МКС нет, а для мытья космонавты используют влажные салфетки и полотенца. Чтобы не примешивать дополнительных запахов в атмосферу станции, на МКС предусмотрены специальные, имеющие слабый запах средства гигиены, а любой парфюм строго запрещён. Подробнее о том, как космонавты моются, можно прочесть здесь.

Кто следит за «космическим ароматом»?

Создание комфортной атмосферы для космонавтов – это задача, по своей важности не уступающая задаче обеспечения безопасности полёта. Посторонние запахи извлекаются из атмосферы специальными поглотителями, однако полностью избавиться от «ароматов» невозможно. Поэтому при подготовке полёта тщательно отбирают материалы, из которых строится интерьер космического аппарата, и вещи, разрешённые на борту. Например, в NASA работает команда экспертов, в шутку называющих себя «носонавтами», которые «обнюхивают» всё, что будет присутствовать на борту корабля: пластики, металлы, сменное бельё, научные приборы, гигиенические принадлежности, кроссовки и даже игрушку, которую астронавтка хотела взять в полёт по просьбе маленького сына. На сегодняшний день человеческий нос – это лучший прибор, чтобы представить, как вещи будут пахнуть в космосе. Учёные многих стран работают над проблемой создания приборов, воспринимающих запахи. Но пока что ни один прибор не может сравниться с обонянием собаки или (кто бы мог подумать) осы. Но собаки, а тем более осы – существа неразговорчивые и поэтому не могут рассказать нам, как пахнет тот или иной предмет. Вот и приходится нюхательную работу выполнять тренированным людям. Так что, если вы изобретёте способ хорошо улавливать запахи, то, пожалуй, навсегда войдёте в историю как великий изобретатель. А до тех пор вещи, посылаемые в космос, будут обнюхивать люди, делая это с завязанными глазами. Глаза завязываются для того, чтоб внешний вид предмета, не повлиял на восприятие запаха человека. Иногда из-за спешки тесты на запах провести не успевают, и тогда экипаж на борту корабля ждут всевозможные сюрпризы. Например, астронавтам пришлось вернуть на борт шаттла сумку с непроверенными застёжками, так как они пахли, «как пальцы повара, резавшего лук».

В России атмосферой космических кораблей занимаются в Институте медико-биологических проблем. Ещё на этапе проектирования космического аппарата специалисты проверяют все неметаллические материалы в герметичных камерах на наличие ярко выраженного запаха. Если такой запах есть, то материал выбраковывается. Главная задача специалистов – чтобы на станции было как можно меньше пахнущих веществ; всё, что берется на орбиту, строго отбирается по критерию обеспечения чистоты воздуха. Поэтому, к сожалению, собственные предпочтения членов экипажа относительно запахов на станции не учитываются. Космонавты говорят, что больше всего скучают по запахам земли: запаху дождя, листьев, яблок. Однако иногда строгие специалисты по орбитальным запахам всё же делают космонавтам подарки: в корабль «Союз» перед Новым годом положили мандарины и веточку ели, чтобы на станции ощутили чудесный аромат праздника.

В непривычных условиях внеатмосферного полета космонавтам должны быть созданы все условия для работы и отдыха. Им нужно есть, пить, дышать, отдыхать, спать положенное время. Такие простые и обыденные для земного бытия вопросы в условиях космоса перерастают в сложные научные и технические проблемы.

Человек может довольно долго обходиться без пищи, без воды - несколько дней. Но без воздуха он может жить лишь несколько минут. Дыхание - важнейшая функция человеческого организма. Как обеспечивается она в космическом полете?

Свободный объем в космических кораблях невелик. как правило, имеет на борту около 9 кубических метров воздуха. А за стенками корабля - почти полный вакуум, остатки атмосферы, плотность которой в миллионы раз меньше, чем у поверхности Земли.

9 кубометров - это все, что имеют для дыхания космонавты. Но это немало. Вопрос только в том, чем будет заполнен этот объем, чем будут дышать космонавты.

Атмосфера, окружающая человека на Земле, в сухом состоянии содержит по весу 78,09 процента азота, 20,95 процента кислорода, 0,93 процента аргона, 0,03 процента углекислого газа. Количество других газов в ней практически незначительно.

Такой газовой смесью привыкли дышать человек и почти все живое на Земле. Но возможности человеческого организма более широки. Из общего атмосферного давления на уровне моря на долю кислороде приходится примерно 160 миллиметров. Человек может дышать при понижении давления кислорода до 98 миллиметров ртутного столба, и лишь ниже наступает «кислородное голодание». Но возможен и другой вариант: когда содержание кислорода в воздухе больше нормы. Верхняя граница возможного для человека парциального давления кислорода проходит на уровне 425 миллиметров ртутного столба. При большей концентрации кислорода наступает кислородное отравление. Итак, возможности организма человека допускают колебания содержания кислорода примерно в 4 раза. В еще более широких пределах наш организм может переносить колебания атмосферного давления: от 160 миллиметров ртутного столба до нескольких атмосфер.

Азот и аргон - инертная часть воздуха. В окислительных процессах принимает участие только кислород. Поэтому возникла мысль: а нельзя ли в космическом корабле заменить азот на более легкий газ, скажем, гелий. Кубический метр азота весит 1,25 килограмма, а гелия - всего 0,18 килограмма, то есть в семь раз меньше. Для космических кораблей, где на учете каждый лишний килограмм веса, это отнюдь не безразлично. Эксперименты показали, что в кислородногелиевой атмосфере человек может нормально дышать. Это было проверено американскими акванавтами при длительных подводных погружениях.

В техническом отношении привлекает внимание также одногазовая атмосфера, состоящая из чистого кислорода. В американских космических кораблях для дыхания космонавтов применяется чистый кислород при давлении около 270 миллиметров ртутного столба. При этом проще (а значит, и легче) получается аппаратура для контроля давления и поддержания состава атмосферы. Однако чистый кислород имеет свои недостатки: возникает угроза пожара на космическом корабле; длительное вдыхание чистого кислорода вызывает неприятные осложнения в дыхательных путях.

При создании искусственной среды в отечественных космических кораблях за основу взята нормальная земная атмосфера. Специалисты, прежде всего — медики, настояли на том, чтобы на борту космических кораблей был создан уголок родной планеты с условиями, как можно более близкими к тем, которые окружают человека на Земле. Все технические выгоды, получаемые при применении одногазовой атмосферы, кислородно-гелиевой и других, были принесены в жертву ради полного комфорта для космонавтов. Все параметры очень близки к нормам той атмосферы, которой мы дышим на Земле. Они показывают, что автоматика «держит» параметры воздуха в кабине очень «жестко», стабильно. Космонавты как бы дышат чистым воздухом Земли.

После посадки космонавтов в корабль, после герметизации его отсеков состав атмосферы в корабле начинает изменяться. Два космонавта потребляют в час около 50 литров кислорода и выделяют 80-100 граммов водяных паров, углекислый газ, летучие продукты обмена веществ и др. Тогда вступает в действие система кондиционирования, которая доводит атмосферу «до кондиции», то есть поддерживает все ее параметры на оптимальном уровне.

В основу регенерации атмосферы положены эффективные, проверенные физические и химические процессы. Известны химические вещества, которые при соединении с водой или углекислым газом способны выделять кислород. Это надперекиси щелочных металлов - натрия, калия, лития. Чтобы при этих реакциях выделилось 50 литров кислорода - часовая потребность двух космонавтов, - необходимо 26,4 грамма воды. А выделение ее в атмосферу двумя космонавтами, как мы уже сказали, достигает 100 граммов в час.

Часть этой воды расходуется на получение кислорода, часть сохраняется в воздухе для поддержания нормальной относительной влажности (в пределах 40-60 процентов). Лишняя же вода должна улавливаться специальными поглотителями.

Наличие пыли, крошек, мусора в воздухе недопустимо. Ведь в невесомости все это не падает на пол, а свободно плавает в атмосфере корабля и может попадать в дыхательные пути космонавтов. Для очистки воздуха от механических загрязнений существуют специальные фильтры.

Итак, регенерация атмосферы в корабле сводится к тому, что часть воздуха из обитаемых отсеков постоянно забирается вентилятором и проходит через ряд устройств системы кондиционирования. Там воздух очищается, доводится до нормы по химическому составу, влажности и температуре и снова возвращается в кабину космонавтов. Такая циркуляция воздуха идет постоянно, а скорость ее и эффективность работы неослабно контролируются соответствующей автоматикой.

Например, если чрезмерно возросло содержание кислорода в атмосфере корабля, то система, контроля немедленно заметит это. Она подает соответствующие команды исполнительным органам; режим работы установки изменяется так, чтобы уменьшить выделение кислорода.

В российском сегменте Международной космической станции (РС МКС) исследуют влияние на организм экипажа тяжелых изотопов. Они появляются в атмосфере станции в результате работы аппаратуры. Эксперимент на МКС планируют провести в 2019 году. По мнению экспертов, полученные результаты помогут улучшить системы жизнеобеспечения и других изолированных объектов.

Как рассказали «Известиям» в МГТУ имени Баумана, на самочувствие экипажа и работу электронных устройств на борту оказывают негативное влияние тяжелые изотопы. Они образуются при работе установок для производства кислорода и очистки воздуха от углекислого газа.

Их скопление в клетках способствует развитию сахарного диабета, сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний, - рассказала первый заместитель заведующего кафедрой холодильной, криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения МГТУ Анастасия Казакова.

В эксперименте «Криоатмосфера» специалисты МГТУ намерены получить информацию о влиянии тяжелых изотопов кислорода на здоровье и самочувствие экипажа МКС, а также на работу электронного оборудования.

Также планируется отработать доставку на станцию и использование там твердого азота (для создания атмосферы) и неона (для охлаждения электронных устройств).

Сейчас азот поступает на орбиту в сжатом виде под давлением в сотни атмосфер - это требует прочной и тяжелой оболочки баллона. Твердый азот можно хранить в сравнительно легком криостате при температуре ниже минус 210 градусов Цельсия и давлении ниже атмосферного. Это позволит уменьшить массу оборудования.

В таком же криостате при температуре ниже минус 245 градусов Цельсия можно хранить и твердый неон. При его плавлении поглощается много теплоты. Это используют для охлаждения электронного оборудования, например, инфракрасных телескопов. С их помощью можно обнаруживать на земной поверхности пожары, извержения вулканов и другие природные и рукотворные катаклизмы. Чем ниже температура сенсоров этих приборов, тем лучше они могут фиксировать относительно небольшие очаги повышения температуры на Земле.

В ходе эксперимента на борту российского сегмента МКС будет испытана система подачи азота для создания необходимого газового состава атмосферы станции. После этого работа продолжится на Земле. На корабле «Союз-МС» ученым доставят пробы атмосферы станции. Это позволит исследовать количество тяжелых изотопов кислорода и их влияние на состояние космонавтов.

- Важно определить состав воздуха на российском сегмента МКС. Это поможет оценить влияние его компонентов на жизнедеятельность космонавтов, - рассказала «Известиям » директор НИКИ КРИОГЕНМАШ Елена Тарасова. - Полученные данные позволят учитывать особенности изменения состава воздуха в зависимости от вида работающего оборудования. Речь не только о космосе, но и о других изолированных объектах - подводных станциях, подземных пунктах управления и других.

Аппаратуру для эксперимента изготовят и доставят на орбиту на транспортном грузовом корабле «Прогресс МС». Ориентировочные сроки изготовления и наземных испытаний образцов - конец 2018 - начало 2019 года. Затем предполагается провести космический эксперимент.

«Предыдущие космические миссии – Меркурий, Джемини, Аполлон, брали с собой все необходимые запасы воды и кислорода и сбрасывали жидкие и газообразные отходы в космос», - поясняет Роберт Багдижян (Robert Bagdigian) из Центра Маршалла. Вкратце, системы жизнеобеспечения астронавтов были «разомкнутыми» – они полагались на поддержку с Земли, что частично верно и сегодня для Международной космической станции (МКС).

Однако для продолжительных миссий на или появляется смысл в том, чтобы замкнуть систему – то есть перерабатывать воздух и грязную воду, вместо того чтобы выбрасывать их. В ближайшее время на МКС будут проводиться испытания такой системы регенерации. Название проекта – Системы контроля среды и жизнеобеспечения (Environmental Control and Life Support Systems), более известное под аббревиатурой ECLSS. Роберт Багдижян является руководителем данного проекта.

Система регенерации воды ECLSS

«Русские опередили нас в этой области, - говорит Робин Карраскилло (Robyn Carrasquillo), технический руководитель проекта ECLSS, - Ещё космические аппараты «Салют» и «Мир» были способны конденсировать влагу из воздуха и использовали электролиз – пропускание электрического тока через воду – для производства кислорода». Разработанная в NASA система ECLSS будет запущена на МКС в 2008 году и пойдёт в вопросах регенерации ещё дальше – она способна получать питьевую воду не только из испарений, но и из мочи.

Процесс восстановления воды из мочи – сложная техническая задача: «Моча гораздо «грязнее» водяных испарений, - объясняет Карраскилло, - Она способна разъедать металлические детали и засорять трубы». Система ECLSS использует для очищения мочи процесс, называемый парокомпрессионная дистилляция: моча кипятится до тех пор, пока вода из неё не превратится в пар. Пар – естественно очищенная вода в парообразном состоянии (за исключением следов аммиака и других газов) – поднимается в дистилляционную камеру, оставляя концентрированную коричневую жижу нечистот и солей, которую Карраскилло милосердно называет «рассолом» (который затем выбрасывается в открытый космос). Затем пар охлаждается, и вода конденсируется. Полученный дистиллят смешивается со сконденсированной из воздуха влагой и фильтруется до состояния, пригодного для питья. Система ECLSS способна восстановить 100% влаги из воздуха и 85% воды из мочи, что соответствует суммарной эффективности около 93%.

Описанное выше, однако, относится к работе системы в земных условиях. В космосе появляется дополнительная сложность – пар не поднимается вверх: он не способен подняться в дистилляционную камеру. Поэтому в модели ECLSS для МКС «…мы вращаем дистилляционную систему для создания искусственной гравитации, чтобы разделить пары и рассол», - поясняет Карраскилло.

Более того, в микрогравитации космического аппарата человеческие волосы, частицы кожи, пух и другие примеси взвешены в воздухе и не падают на пол. В связи с этим необходима внушительная система фильтрации. В конце процесса очистки в воду добавляется йод для замедления роста микробов (хлор, используемый для очистки воды на Земле, слишком химически активен и опасен для хранения в условиях космоса).

Система регенеративного восстановления воды для МКС, имея вес около полутора тонн, будет «…производить полгаллона воды в час, что больше, чем потребности команды из трёх человек, - заявляет Карраскилло, - Это позволит космической станции непрерывно поддерживать жизнедеятельность шести астронавтов». Система разработана для производства питьевой воды «…стандарты чистоты которой выше большинства муниципальных водопроводных систем на Земле», - добавил Багдижян.

В добавление к производству питьевой воды для экипажа, система восстановления воды будет снабжать водой другую часть ECLSS: систему генерации кислорода (oxygen generation system, OGS). Принцип действия OGS – электролиз. Молекулы воды расщепляются на кислород, необходимый для дыхания, и водород, который выводится из космического аппарата. «Цикл производства воздуха требует достаточно чистую воду, чтобы электролизные камеры не засорялись», - подчёркивает Багдижян.

«Регенерация гораздо более эффективна, чем пополнение запасов станции с Земли», - заявляет Карраскилло, особенно после того, как закончится срок эксплуатации Шаттлов в 2010 году. Восполнение 93% грязной воды впечатляет, однако для многомесячных и многолетних миссий к Луне и Марсу, последующие версии системы ECLSS должны достигать эффективности, близкой к 100%. В таком случае астронавты будут готовы к выживанию в условиях нашей «Дюны».