Хьюстон, проблемы больше нет: российские ученые нашли способ переработать углекислый газ на МКС в воду

Дышать и пить – недешевое удовольствие

Для полноценного функционирования МКС требуется 3-6 человек. По подсчетам ученых, для жизни им понадобится 9000 литров воды в год. Такая цифра значительно увеличивает вес системы жизнеобеспечения и сокращает дальность полета, поэтому возможность орбитальных и межпланетных полетов в будущем связана с безотходным производством на корабле.

Исследователи бьются над тем, чтобы все вещества были переработаны для получения других необходимых веществ. Например, воду можно извлекать из всех водосодержащих продуктов жизнедеятельности человека (урина, то есть моча; пот и выдыхаемая влага).

Сейчас на МКС используются следующие способы регенерации воды:

– Конденсация влаги из воздуха. На МКС установлена аппаратура, которая конденсирует (превращает газообразное вещество в жидкое) воздух во влагу. Космонавты выделяют до 2,5 литров жидкости в сутки.

– Очистка использованной воды. Для этого используются фильтры.

– Переработка урины и твердых отходов. Технология используется на МКС лишь с 2010 года.

Читайте также из рубрики Наука: Российские ученые увеличили способ хранения донорского сердца до 24 часов

Вода на МКС регенерируется примерно на 93%, поэтому объемы поставок существенно ниже, чем могли бы быть при отсутствии таких систем. Однако с каждым полным циклом использования воды ее общий объем уменьшается на 7%. Таким образом, несмотря на стремление к автономной работе, МКС все еще зависит от поставок жидкости с Земли.

Самое главное в процессе регенерации воды – ее очистка. Вся вода на корабле, в том числе оставшаяся после приготовления пищи, мытья и даже человеческий пот, собирается в дистиллятор с последующим охлаждением и конденсацией паров. Дистиллятор – это аппарат для перегонки и испарения жидкости, визуально он напоминает бочку. Чтобы он работал исправно, необходимо создать условия, близкие к земным, то есть гравитацию и тяготение. Для этого дистиллятор вращается, а грязная вода неоднократно проходит через фильтры. Результат – чистая питьевая вода, качеству которой могут позавидовать во многих уголках Земли.

Чтобы предотвратить размножение микробов и бактерий, в воду добавляют йод. От применения хлора, которым активно пользуются на Земле, космонавты отказались по причине агрессивности этого химического элемента. Использование йода выходит в несколько раз дороже. Из полученной воды кислород можно извлечь методом электролиза: под действием тока с помощью электродов вода разлагается на кислород и водород.

Фото: pixabay.com

Пот и моча для двигателей МКС

За пальму первенства в оптимизации этих процессов сражаются американские и российские ученые. И если очищать воду лучше получается у американских специалистов, то вырабатывать кислород из полученной воды – у наших. Например, сейчас около 30% очищенной американским сектором МКС воды поступает в российские аппараты для дальнейшего производства кислорода.

Разработкой и производством комплексных систем жизнеобеспечения занимаются целые научно-исследовательские институты. Например, комплекс физико-химических регенерационных систем жизнеобеспечения РСЖО НЛК, который был разработан Научно-исследовательским и конструкторским институтом химического машиностроения (НИИхиммаш), впервые был испытан в 1967-1968 годах.

Эта система в течение года помогала выжить экипажу из трех человек, которые находились в герметичном макете межпланетного корабля. В составе комплекса работали:

– системы регенерации воды и конденсата атмосферной влаги;

– система электролизного получения кислорода из регенерированной воды;

– системы очистки атмосферы от микропримесей, то есть от элементов и соединений, которые не входят в химическую формулу воздуха;

– системы очистки углекислого газа и его концентрирования и система утилизации углекислого газа путем его разложения на воду и метан.

Таким образом была подтверждена теория, что человек может длительное время находиться в изолированном пространстве и возобновлять необходимые для жизни ресурсы.

Читайте также из рубрики Наука: Российские ученые разработали парашют для эвакуации людей из небоскребов

Первые такие системы были установлены на советских пилотируемых космических кораблях под названием «Салют» и «Мир» уже в начале 70-х годов прошлого столетия. Работали они просто: конденсировали влагу из воздуха, а затем путем электролиза производили кислород. Стандартный набор.

Практически полный подобный комплекс регенерации воды и атмосферы впервые в истории был применен на орбитальной космической станции «Мир». Там не было лишь системы концентрирования и переработки углекислого газа. Однако это не помешало обеспечить длительное и эффективное функционирование станции в пилотируемом режиме. За все время существования комплекс позволил «сэкономить» более 58 кг доставляемых с Земли грузов. Если учесть, что доставка 1 кг груза на тот момент стоила около 5-6 тыс. долларов, первая полноценная система регенерации воды позволила снизить расходы примерно на 300 млн долларов.

Сейчас процесс несколько усложнился, так как к конденсируемой влаге добавили урину и твердые отходы. Но не пугайтесь – такая вода не используется для питья. Ее очищают для применения в работе двигателей и различных технических нужд, а также для выработки кислорода. Сначала ее регенерирует американский аппарат ECLSS, а затем отправляет в российскую систему преобразования кислорода из воды и американскую систему OGS (Oxygen Generation System). Оттуда выходит уже настоящий чистый кислород.

Фото: pixabay.com

Углекислый газ и преждевременное старение

Из-за различных ограничений в ближайшем будущем возобновление воды и кислорода будет происходить только с помощью процессов, описанных выше. Выращивание растений для получения кислорода, воды и еды является задачей будущего, такой метод будет использоваться только на базах, которые разместят непосредственно на планетах.

Несмотря на это, цикл получения воды и кислорода на МКС еще не стал замкнутым на 100%. На борту корабля есть продукт жизнедеятельности человека, который практически не используется, – это углекислый газ.

Еще в 1912 году французский химик Поль Сабатье стал обладателем Нобелевской премии за изобретение, ключевым моментом в котором было открытие так называемой реакции Сабатье. Это реакция водорода с диоксидом углерода (углекислым газом) при высокой температуре и давлении в присутствии катализатора (химического вещества, ускоряющего реакцию, – в данном случае использовался никель) для производства метана и воды. Процесс Сабатье использовался и раньше, но во время производства кислорода на МКС оставшийся водород просто выбрасывают в открытый космос.

Система была несовершенна. Астронавту Роберту Бренту Терску принадлежит рекорд Канады по общей длительности пребывания в космосе. Его первый полет в 1996 году продлился 16 суток 21 час 48 минут 30 секунд. Второй полет в космос на этом корабле длился 187 суток 20 часов 41 минуту. И все бы ничего, но каждый день, проведенный на борту, был для Роберта Терска кошмаром – он рассказал, что страдал от головной боли, слабости, хрупкости костей, проблем с равновесием и замечал значительное ухудшение зрения. После шести месяцев в космосе, он заявил, что, вернувшись на Землю, почувствовал себя настоящим стариком. На момент завершения последнего для Терска полета в 2009 году ему было 56 лет. Преждевременное старение рассматривается как один из побочных эффектов космических путешествий. Целью того полета было выяснить, как реагирует организм космонавта на длительное пребывание в космосе, поэтому все страдания Роберт Терск просто терпел, став практически подопытным кроликом.

Читайте также из рубрики Наука: Древнее «божье наказание»: ученые нашли способ избавить мир от мигрени

В том же году в Лейденском университете в Нидерландах было проведено исследование причин головных болей у космонавтов. Более 70% из 17 анонимно опрошенных астронавтов сообщили о головной боли во время космического полета, при этом лишь у четырех из них не было тошноты, рвоты, головокружения или других симптомов космического укачивания. Выяснилось, что главный противник хорошего самочувствия космонавтов на борту корабля – слабая циркуляция воздуха. Системы не справляются с работой, и астронавты дышат углекислым газом, концентрация которого давно превысила допустимую.

Длительное пребывание в таких условиях вызывает гиперкапнию – отравление углекислым газом. Это явление тесто связано со смещением кислотно-щелочного баланса организма, что чревато головными болями, нарушением работы сердца, диареей и сонливостью, а также с гипоксией – недостатком кислорода.

При гиперкапнии венозная кровь начинает усиленно притекать к сердцу, поэтому увеличивается объем крови, выбрасываемый каждую минуту. В результате повышается тонус вен и скелетной мускулатуры, перераспределяется кровоток, значительно увеличивается мозговой кровоток. Все это приводит к головным болям и снижению зрения. Резко выраженная гиперкапния приводит к нарушениям в проводящей системе сердца, падению тонуса периферических сосудов и к критическому снижению артериального давления.

На нервную систему гиперкапния оказывает по большей части депрессивное действие: понижается возбудимость спинномозговых центров, замедляется проведение возбуждения по нервным волокнам, увеличивается риск возникновения судорог, то есть эмоциональная стабильность и стремление к работе могут серьезно пострадать.

Перспективы исследования космоса предполагают длительные полеты и нахождение космонавтов в изолированном пространстве в течение нескольких лет. Это станет невозможным, если высокая концентрация углекислого газа будет воздействовать на организм космонавта в течение всего полета.

Работавший по программе семейной медицины в госпитале им. Королевы Елизаветы в Монреале Роберт Терск восстанавливал собственное здоровье в течение нескольких лет, а после этого решил, что космоса в его жизни было достаточно. В 2012 он году покинул отряд астронавтов, чтобы продолжить клинические исследования их состояния, основываясь на собственном опыте, уже на Земле. Играть на пианино и в хоккей вместе с семьей, как оказалось, намного безопаснее.

Фото: pixabay.com

Замкнуть систему и спасти космонавтов

Российские ученые решили одним выстрелом убить сразу двух зайцев – не просто снизить концентрацию углекислого газа, а извлечь из него пользу. Разработчики НИИхиммаш планируют создать систему переработки углекислого газа в воду, которую можно будет использовать во время длительных космических полетов.

Раньше борьба с углекислым газом на борту космического корабля велась умеренная, ведь его концентрации считались допустимыми, однако сейчас организм космонавтов, как индикатор, говорит об обратном. Несмотря на высокую стоимость доставки такого аппарата на космическую станцию, исследователи все-таки приняли решение начать разработку: нельзя рисковать здоровьем.

По замыслу ученых, новую систему установят в одном из отсеков корабля. Она будет отбирать диоксид углерода (углекислый газ) из воздуха на космической станции с помощью вентиляционной системы, она распределена по периметру всего корабля. Углекислый газ в вентиляции будут захватывать поглотители системы «Воздух», сделанные из минералов цеолитов, которые благодаря своей кристаллической структуре способны поглощать и отдавать различные вещества.

Аппарат переработает диоксид углерода в метан (простейший по составу углеводород, бесцветный газ без запаха) и воду по реакции гидрирования. Как в знаменитой реакции Сабатье, только водород теперь пойдет на нужды космонавтов МКС, а не марсиан. Метан в этом случае будет выброшен за борт или переработан в формальдегид (вещество, которое в современной медицине используют как дезинфицирующее средство и консервант) и нелетучие моносахариды (простые углеводы).

С 2000 до 2010 годы на МКС было собрано и удалено 10250 кг углекислого газа. Если использовать реакцию Сабатье, то из этого углекислого газа можно было получить 4610 литров воды. Цифра неплохая, но такого количества воды для десятилетней жизни астронавтов все равно недостаточно, поэтому сейчас все усилия брошены на создание нового аппарата – по предварительным подсчетам, он превратит 10250 кг углекислого газа в 18380 литров воды, которой должно хватить на все нужды. Система позволит достичь 100% замкнутости системы обеспечения космонавтов водой и кислородом, а это первый шаг на пути к полной автономии существования в космосе. Но главное, что благодаря российским ученым космонавты смогут познавать Вселенную и делать жизнь людей на Земле интереснее без физических страданий.