Как на МКС получают кислород из воды и куда девается углекислый газ

На видеозаписях с МКС космонавты работают, обедают и разговаривают без дыхательных масок. Воздух внутри станции кажется такой же незаметной частью обстановки, как освещение. Но за стенкой находится почти пустое пространство, а открыть окно для проветривания невозможно. Каждый выдох меняет состав атмосферы, и оборудование должно непрерывно возвращать её в пригодное для жизни состояние.

На станции дышат не чистым кислородом

В обитаемых модулях МКС поддерживают атмосферу, близкую к земной у поверхности моря: давление около одной атмосферы и примерно 21% кислорода. Большую часть газовой смеси составляет азот. Поэтому экипажу не требуется постоянно носить специальное дыхательное оборудование.

Заполнить всю станцию чистым кислородом при таком давлении было бы опасно прежде всего из-за пожара. Кислород сам не горит, но поддерживает горение: при его повышенной концентрации многие материалы загораются легче и горят интенсивнее.

Человек не расходует весь воздух, который проходит через лёгкие. В выдохе остаются азот и значительное количество кислорода, но появляется больше углекислого газа и водяного пара. За сутки одному члену экипажа требуется порядка 0,8-0,9 килограмма кислорода; расход зависит в том числе от физической нагрузки. Для нескольких человек и многомесячной экспедиции это уже большой груз.

Кислород получают из воды

Основной способ производства кислорода на МКС — электролиз. Электрический ток позволяет разделить воду на кислород и водород. Для этого на станции предусмотрены установки, включая российскую систему «Электрон-ВМ» и американский генератор кислорода.

После разделения кислород поступает в атмосферу модулей. Водород отводится отдельно: выпускать оба газа вместе в жилое пространство нельзя, поскольку их смесь пожароопасна. В зависимости от работающего оборудования водород либо удаляют за борт, либо направляют на дальнейшую переработку.

Сам принцип знаком по школьным опытам, но орбитальная установка гораздо сложнее сосуда с электродами. Она должна точно подавать воду, разделять потоки, контролировать давление и обнаруживать утечки. В невесомости пузырьки не всплывают так, как на Земле, поэтому движение жидкости и отделение газа приходится обеспечивать конструкцией аппарата.

Электролиз не создаёт кислород из ничего: он извлекает его из молекул воды, расходуя электроэнергию. Это позволяет производить газ по мере необходимости, однако не отменяет зависимости от запаса воды, электропитания и исправности оборудования.

Почему вода используется несколько раз

Если бы всю воду для электролиза постоянно привозили с Земли, выигрыш от такой схемы был бы ограниченным. По массе из одного килограмма воды теоретически получается около 890 граммов кислорода. Главная возможность экономии возникает, когда станция возвращает в работу уже использованную воду.

Источником служит, например, влага воздуха. Она появляется при дыхании и испарении пота, затем конденсируется на охлаждаемых поверхностях оборудования. Кроме того, американская система перерабатывает воду из мочи. Разные потоки проходят предусмотренные для них стадии обработки, прежде чем попасть в общий запас очищенной воды.

Оборудование отделяет загрязнения, пропускает воду через несколько ступеней очистки и проверяет её качество. Жидкость, не соответствующую требованиям, отправляют на повторную обработку. Только после этого она может использоваться для питья и технических задач, включая получение кислорода.

Круговорот всё же не идеален. Часть воды остаётся в отходах и расходуется без возможности полного возврата. Её запас пополняют, а эффективность переработки зависит от состава и состояния работающих установок.

Удалить выдох так же важно, как добавить кислород

Даже исправный генератор не сделает герметичное помещение пригодным для жизни, если в нём накапливается углекислый газ. Его избыток опасен независимо от того, достаточно ли кислорода. Поэтому на МКС работают отдельные системы очистки, в том числе российский «Воздух» и оборудование американского сегмента.

Воздух пропускают через материалы, способные удерживать углекислый газ. Во многих установках поглотитель можно восстановить: накопленный газ освобождают при изменении условий, после чего материал используют снова. Это уменьшает потребность в одноразовых расходниках.

Часть уловленного углекислого газа можно направлять в реактор, где он взаимодействует с водородом от электролиза. В результате реакции Сабатье образуются вода и метан. Воду возвращают в систему, а метан удаляют за борт. Так удаётся восстановить часть кислорода, который после дыхания оказался связан в углекислом газе.

Эта цепочка не превращает МКС в полностью замкнутую экосистему. Не весь углекислый газ перерабатывается таким способом, а с метаном теряется водород. Но даже частичное возвращение веществ в оборот сокращает потребность в доставке.

Не менее важны вентиляторы. В невесомости отсутствует привычная естественная конвекция, при которой нагретый воздух поднимается. Принудительная циркуляция перемешивает атмосферу и доставляет её к очистителям. Поэтому воздух на станции нужно не только производить и очищать, но и постоянно перемещать.

Зачем грузовики привозят газ в баллонах

Кислород действительно доставляют с Земли, и это не означает, что бортовое производство бесполезно. У привозного газа несколько задач, которые одним электролизом не решаются.

Первая — поддержание запасов. Генератор может потребовать ремонта или планового обслуживания. Баллон с готовым кислородом даёт экипажу время на восстановление оборудования и не требует сначала переработать воду. Запас нужен заранее: организовать немедленную доставку груза на орбиту невозможно.

Вторая задача связана с давлением. Кислород, поступающий из генератора в жилые модули, и кислород, которым заправляют резервуары скафандров, — один газ, но требования к его подаче различаются. Для компактного хранения нужно высокое давление. Американские резервуары для обеспечения выходов в открытый космос пополняют из доставляемых ёмкостей системы NORS.

Эти ёмкости также позволяют восполнять атмосферу станции. Некоторое количество газа теряется через небольшие утечки и при операциях со шлюзами. Перед выходом в космос часть воздуха из шлюза возвращают внутрь станции, но полностью исключить потери не получается.

Вместе с кислородом привозят азот. Экипаж почти не расходует его при дыхании, однако при утечке уходит вся газовая смесь. Если возмещать её только кислородом, состав атмосферы изменится. Из воды азот получить нельзя, поэтому его запас имеет отдельное значение.

Что происходит, если генератор остановится

Остановка одной установки не означает, что людям сразу станет нечем дышать. В модулях уже находится воздух, а система снабжения рассчитана на использование нескольких источников. Экипаж и специалисты на Земле оценивают состояние атмосферы, возможности другого оборудования и доступные запасы.

Помимо сжатого кислорода, на МКС предусмотрены твёрдые химические источники, которые иногда называют «кислородными свечами». В специальном устройстве вещество разлагается с выделением кислорода. Такой патрон расходуется при работе и не заменяет долговременное производство, но даёт дополнительный вариант обеспечения экипажа.

При этом запас газа не исправляет любую неисправность жизнеобеспечения. Если перестала работать очистка от углекислого газа или нарушилась циркуляция, одного открытия баллона недостаточно. Поддерживать нужно всю систему: состав воздуха, давление, удаление примесей и движение потоков между модулями.

На МКС сочетаются три подхода: производство кислорода на месте, возвращение воды и части выдыхаемых веществ в оборот, доставка недостающего с Земли. Переработка уменьшает массу грузов, а резервы позволяют обслуживать и ремонтировать технику без немедленного прекращения экспедиции. Именно поэтому собственный генератор и привозной баллон на станции нужны одновременно.