Американские ученые, возможно, решили проблему производства кислорода в космосе
Несмотря на то, что в космосе есть кислород, основная его часть существует не в той форме, который мы привыкли дышать — молекулярным кислородом, или O2. Специалисты Калифорнийского технологического института (Калтех) заявляют, что создали реактор, позволяющий перерабатывать диоксид углерода в молекулярный кислород, что в перспективе может не только помочь в борьбе с климатическими изменениями на Земле, но еще и наладить производства кислорода в космосе. Об этом сообщает статья, опубликованная журналом Nature Communications.
Как производить кислород в космосе?
Дефицит кислорода является одним из самых главных препятствий в освоении дальнего космоса. Земля – это единственное место, где объемы этого газа достаточны для выживания человечества, но необходимость брать с собой большие запасы этого важного для жизни элемента в дальние космические полеты будет очень затратной и непосильной задачей. Например, на той же Международной космической станции запаса кислорода восполняются за счет электролиза воды (разложения ее на водород и кислород). Этим на МКС занимается система «Электрон», расходующая 1 кг воды на человека в сутки. Запасы кислорода также время от времени пополняются в ходе грузовых миссий к орбитальной станции. Есть мнение, что когда начнется терраформирование Марса, электролиз станет одним из способов добычи кислорода для марсианских колонистов, однако технологий таких у человечества пока нет, поэтому думать об этом рано.
Поэтому ученые из Калтеха решили найти в рамках своего исследования иной метод производства кислорода. В итоге они пришли к созданию реактора, который, если говорить простыми словами, берет и удаляет из формулы «CO2» (диоксида углерода) «С» (углерод), оставляя только кислород. Исследователи обнаружили, что если разгонять и ударять молекулы диоксида углерода об инертные поверхности, такие как золотая фольга, то их можно расщепить на молекулярный кислород и атомарный углерод.
Ученые говорят, что их реактор работает по принципу ускорителя частиц. Сперва молекулы CO2 в нем ионизируются, а затем ускоряются с помощью электромагнитного поля, после чего сталкиваются с золотой поверхность. В текущей форме установка обладает весьма низким КПД: на каждые 100 молекул CO2 она способна производить порядка одной-двух молекул молекулярного кислорода. Однако исследователи обращают внимание на то, что их реактор доказал, что данный концепт производства кислорода действительно возможен и в будущем может стать масштабируемым.
Исследователи поясняют, что подобная реакция производства кислорода в космосе может происходить и естественным образом. Разработка концепта началась с попытки объяснить неожиданное открытие молекулярного кислорода на кометах. После того, как космический аппарат «Розетта» обнаружили газ, вырывающийся с поверхности кометы 67P/Чурюмова — Герасименко, ученые изначально предположили, что этот кислород находился в ней замороженном состоянии миллиарды лет, фактически со времен формирования Солнечной системы, то есть в течение примерно 4,6 миллиарда лет. Но эта гипотеза оставалась до сих пор весьма спорной, поскольку такой «замороженный» молекулярный кислород должен был обладать весьма высоким химическим потенциалом и вступать во взаимодействия с другими компонентами вещества кометы, согласно мнению ряда ученых.
Однако в 2017 году команда Колтеха предложила другое объяснение. Профессор Калифорнийского технологического института и специалист по молекулярному инжинирингу Константинос Гиапис обратил внимание на химические реакции, протекающие на поверхности кометы 67P/Чурюмова — Герасименко, поскольку они показались ему весьма похожими на те реакции, которые он изучал в лаборатории на протяжении свыше 20 лет. Ученый предположил, что хорошо изученный им механизм, состоящий в том, что атомарный кислород вещества кометы превращается в молекулярный кислород под действием бомбардирующих поверхность молекул воды, также содержащих один атом кислорода, хорошо применим в сфере астрофизики для объяснения данных, полученных учеными миссии «Розетта». Это и вдохновило ученых на разработку реактора.
Зачем производить кислород в космосе?
В будущем реактор может использоваться для производства кислорода для астронавтов, которые будут летать на Луну, Марс и за их пределы. На Земле подобная установка с учетом масштабов тоже может оказаться весьма полезной, ведь она сможет снижать концентрации диоксида углерода в атмосфере и перерабатывать их в кислород, тем самым помогая в борьбе с глобальными климатическими изменениями. Однако ученые отмечают, что для практической фазы их установка пока не готова.
«Окончательное ли это устройство? Нет. Может ли это устройство решить вопрос с Марсом? Нет. Однако это устройство доказывает один ранее предложенный концепт, казавшийся невозможным», — прокомментировал Константинос Гиапис, глава исследовательского проекта.
Обсудить новость можно в нашем Telegram-чате.
Источник
Важней всего погода. на МКС!
Где взять кислород в безвоздушном пространстве? Как живется человеку в космосе? Приоткроем завесу тайны.
Где взять кислород в безвоздушном пространстве? как живется человеку в космосе? приоткроем завесу тайны: космическое пространство расположено на высоте многих тысяч километров над землей. Космос — весьма неприютное место, царство вечного холода и тьмы. Нет здесь атмосферы. Но, все же людям удается совершать регулярные визиты к околоземной орбите и даже исследовать спутник земли — луну. В преддверии запланированной миссии пилотированного полета и колонизации марса вопрос технологий, обеспечивающих кислород в космосе, особенно актуален. Итак, какой же ценой даются эти путешествия? Откуда космонавты получают свежий воздух для дыхания? Как устроена система вентиляции на космической станции?
Нам согласился дать интервью директор Мемориального музея космонавтики Александр Иванович Лазуткин, который провел в космосе 184 дня, работая бортинженером на борту корабля «союз ТМ-25» и орбитального комплекса «Мир».
Александр Иванович, расскажите, что чувствует человек, находясь в космическом пространстве? Условия там сильно отличаются от земных?
А. И.: Единственная особенность, которую я почувствовал в первый момент, — «космический» воздух имеет немного металлический привкус. А в целом условия на станции не сильно отличаются от земных. Температура вполне комфортная — от 23 до 28 °с, нормальная влажность 70 %, поддерживается постоянное давление на уровне 760 мм. Таким образом, космонавты практически не испытывают каких-либо неудобств, находясь на станции.
Каким образом удается этого добиться?
А. И.: Благодаря продуманным СЖО (системам жизнеобеспечения). Это системы, которые производят кислород, удаляют углекислый газ из космического корабля, отвечают за терморегуляцию, очистку воздуха. Кроме того, поскольку в космосе нет гравитации, а значит, воздушные потоки не перемешиваются самостоятельно, как на земле, на станции постоянно работают мощные вентиляторы, которые поддерживают благоприятную атмосферу, принудительно смешивая слои теплого и холодного воздуха.
Cкажите, пожалуйста, откуда же берется тот кислород, которым дышат космонавты на космической станции?
А. И.: Человеку в норме требуется около 600 литров кислорода в сутки. Но, естественно, просто так в баллонах мы взять весь необходимый объем не можем — каждый квадратный сантиметр площади на космическом корабле на вес золота. Каждый дополнительный грамм груза — дополнительные расходы.
Поэтому только небольшая часть кислородного запаса хранится на МКС в концентрированном виде в баллонах, остальное добывается с помощью химической реакции.
Второй способ — выработка кислорода при сжигании твердого топлива. Твердотопливный генератор кислорода находится на станции в виде шашек. Сжигая одну такую шашку, вы получаете от 420 до 600 литров кислорода.
Третий способ — получение пригодного для дыхания воздуха путем расщепления воды на кислород и водород. Водород удаляется за борт космического корабля, кислород используем по назначению. На космической станции используются все три способа добычи кислорода одновременно для подстраховки. Если выходит из строя одна система, другие ее успешно дублируют.
При дыхании образуется большое количество углекислого газа, как удалить его за борт корабля?
А. И.: Проще всего было бы просто сбрасывать отработанный весь воздух за борт и заполнять корабль снова кислородом из баллона. Но на практике это неосуществимо. Человек может использовать лишь 1 % кислорода, находящегося в помещении, а значит, кислорода потребуется уже не 600, а 6000 литров на человека в сутки. Такой груз на борт мы взять по понятным причинам не можем. Поэтому мы используем системы, которые удаляют углекислый газ без сброса всего воздуха за борт.
Сегодня основным средством для очистки атмосферы от углекислого газа является система «Воздух». Принцип работы этой системы состоит в адсорбции (поглощении) углекислого газа с последующей вакуумной регенерацией поглотительных патронов.
По сути, это длинный цилиндр и вентилятор, который загоняет воздух. В цилиндре есть химическое вещество в виде патронов, которое поглощает углекислый газ и выделяет кислород. Система состоит из нескольких патронов, которые после обработки воздуха можно выбрасывать. Так, по крайней мере, было раньше. Сейчас же люди придумали более современную систему, которая регенерируется, очищается и потом запускается вновь.
Большой проблемой становится в космосе размножение болезнетворных бактерий. как можно решить ее?
А. И.: Нормальный состав атмосферы поддерживают устройством обеззараживания воздуха «Поток», которое автоматически включается каждые сутки на 6 часов и обеззараживает атмосферу МКС. В результате обработки воздуха происходит уничтожение микроорганизмов и вирусов, обеспечивается высокая степень фильтрации обеззараженного воздуха.
За прошедшее столетие, благодаря труду ученых и космонавтов, человечество смогло приоткрыть завесу тайны и узнать многое о мире, в котором мы живем. Но космос таит в себе еще множество загадок, которые только предстоит разрешить.
Возможно, в недалеком будущем усовершенствованные технологии позволят совершать путешествия на более дальние расстояния, исследовать другие планеты и найти ответы на вопросы, которые волнуют человечество с незапамятных времен.
Источник
Чем дышать в космосе
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.
Источник