Сергей Хохлов - Экзамен на разумность
Поэтому, отбросив бессмысленные идеи терраформирования, обратимся к рассмотрению различных аспектов задачи создания марсианских ТБС-поселений.
Формирование воздушной среды в марсианских ТБС-поселениях
Задача проектирования ТБС для условий Марса является на порядки более сложной, чем для любых земных (к примеру, Арктики). Главным затруднением такого проекта является отсутствие на Марсе привычного для Земли, дарового воздуха. На Марсе воздух придется делать в буквальном смысле этого слова. Исходным сырьем данного производства должны стать газы марсианской атмосферы.
В данной главе предварительно рассматриваются общие принципы формирования воздушной среды в марсианской ТБС.
Потребности человека в кислороде
Уровень кислорода у поверхности Земли колеблется незначительно: от 20,7 % до 20,95 %. Выраженное ухудшение самочувствия, снижение работоспособности у людей наблюдаются при очень значительном падении содержания кислорода — до 15–17 % (при норме — почти 21 %) (при н. у.).
Общее количество воздуха, проходящее через легкие в единицу времени, называется легочной вентиляцией и измеряется в л/мин. В состоянии покоя легочная вентиляция равна 5–6 л/мин, при физической нагрузке она увеличивается до 60–80 л/мин.
Процентное содержание кислорода во вдыхаемом воздухе составляет 21 %. Однако при дыхании используется не весь кислород. Значительная его часть выдыхается. В выдыхаемом воздухе содержится не меньше 16 % кислорода. Таким образом, при легочной вентиляции в 6 л/мин усваивается 0,3 л/мин кислорода.
При потреблении 1 (н) л кислорода (количество потребляемого кислорода, как и выделяемого углекислого газа, обычно измеряется в так называемых «нормальных литрах» (н) л, приведенных к нормальным условиям при давлении 101,3 кПа и температуре 0 °С) человек выделяет примерно 19–21 кДж (4,6–5 ккал) тепла. В среднем может быть принят энергетический эквивалент 1 (н) л кислорода 20 кДж, а 1 г кислорода — 14 кдж.
Потребление кислорода в среднем на одного человека составляет 22 (н) л/ч или 528 (н) л/сут.
Человеку массой порядка 80 кг потребуется в среднем 26,4 (н) л/ч.
Средние экспериментальные данные о легочной вентиляции, истинном количестве потребляемого кислорода и тепловыделении приведены в нижеследующей таблице:
Табл. 1. Средние экспериментальные данные о теплопродукции, легочной вентиляции, истинном количестве потребляемого кислорода у человека массой 60–70 кг, ростом 170–180 см Состояние организма; характеристика выполняемой работы Легочная вентиляция, (н) л/мин Истинное потребление кислорода, (н) л/мин Теплопродукция Вт ккал/мин Покой 5–6 0,25–0,3 83–105 1,25–1,5 Очень легкая работа 6–10 0,3–0,5 105–175 1,5–2,5 Легкая работа 10–16 0,5–0,8 175–280 2,5–4,0 Средняя работа 16–25 0,8–1,2 280–420 4,0–6,0 Тяжелая работа 25–40 1,2–2,0 420–700 6,0–10,0 Очень тяжелая работа 40–50 2,0–2,5 700–874 10,0–12,5 Чрезвычайно тяжелая работа 50–60 2,5–3,0 874–1050 12,5–15,0 Изнурительная работа Более 60 Более 3,0 Более 1050 Более 15,0Углекислый газ
Содержание диоксида углерода в атмосферном воздухе Земли относительно постоянно и составляет 0,03–0,04 %. Содержание диоксида углерода в городском воздухе может быть выше, чем в чистой атмосфере, и составлять до 0,05 %.
При вдыхании больших концентраций углекислого газа нарушаются окислительно-восстановительные процессы. Чем больше диоксида углерода во вдыхаемом воздухе, тем меньше его может выделить организм. Накопление диоксида углерода в крови и тканях ведет к развитию тканевой аноксии. При увеличении содержания углекислого газа во вдыхаемом воздухе до 3–4 % отмечаются симптомы интоксикации, при 8 % возникает тяжелое отравление и наступает смерть.
ПДК диоксида углерода в воздухе лечебных учреждений равна 0,07 %, а в воздухе жилых и общественных зданий — 0,1 %. Последняя величина принимается в качестве расчетной при определении эффективности вентиляции жилых и общественных зданий.
Азот
Азот по количественному содержанию является наиболее существенной частью атмосферного воздуха.
Азот принадлежит к инертным газам, он не поддерживает дыхание и горение, жизнь в атмосфере чистого азота невозможна. Однако в природе нашей планеты происходит его круговорот. Азот усваивается некоторыми видами бактерий почвы, а также сине-зелеными водорослями.
Азот является своеобразным разбавителем кислорода, выполняя в этой связи жизненно важную функцию, т. к. дыхание чистым кислородом приводит к необратимым изменениям в организме. При этом отмечено, что его повышенное содержание во вдыхаемом воздухе способствует наступлению гипоксии и асфиксии вследствие снижения парциального давления кислорода. При увеличении содержания азота до 93 % наступает смерть. Наиболее выраженные неблагоприятные свойства азот проявляет в условиях повышенного давления, что связано с его наркотическим действием. Известна также его роль в происхождении кессонной болезни.
Принципиальная схема газовых потоков ТБС
Рис. 1. Схема газовых потоков ТБС.
Обозначения на схеме:
1 — Блок газоразделительного оборудования.
2 — Камеры составления воздушной смеси.
3 — Блок водорослей.
4 — Химические производства.
5 — Жилая зона.
6 — Камеры промежуточного обогащения воздуха кислородом и удаления углекислого газа.
7 — Рабочая зона.
8 — Зона растениеводства.
Описание схемы:
Потоки газов обозначены на схеме буквой «П» с соответствующими индексами.
В ТБС поступает смесь газов из атмосферы Марса. Состав смеси представлен в таблице 2.
Табл. 2. Химический состав атмосферы Марса по его четырем основным компонентам (по объему) Составляющая Доли в единице объема Молекулярная масса CO2 0,95 44 O2 0,02 32 Ar 0,016 40 N2 0,027 28В Блоке газоразделительного оборудования (1) происходит разделение атмосферной смеси на составляющие ее газы, которые частично поступают в Камеры составления воздушной смеси (2) (П-3, состоящий из O2, N2, Ar) для приготовления пригодной для дыхания человека и животных воздушной смеси, частично идут в химическое производство (4) (П-1, состоящий из CO2, а также CO и других вредных для дыхания примесей), частично идут в Блок водорослей (3) (П-2, состоящий из CO2, N2, O2). В Блоке водорослей (3) происходит переработка CO2 в органическое вещество и O2, который вместе с газовой смесью с участием азота поступает в Камеры составления воздушной смеси (2) (П-4, состоящий из O2). В Камере составления воздушной смеси (2) из поступающих газов составляется дыхательная смесь, соответствующая составу земной атмосферы (газовый состав сухой земной атмосферы дан ниже, см табл. 3). Воздух после составления идет в Жилую зону (5); таким образом, проходящий через нее воздух будет соответствующим земному эталону. Из Жилой зоны (5) через Камеры промежуточного обогащения воздуха кислородом (6) воздух поступает в Рабочую зону (7) и далее идет в Зону растениеводства (8), где, в отличие от прочих зон (Жилой, где состав воздуха соответствует земному эталону и Рабочей, где состав воздуха близок к земному эталону), газовый состав может иметь меньшее содержание кислорода и большее — углекислого газа, т. к. условия в этой зоне должны быть рассчитаны на благоприятный режим для роста и развития растительной массы. В определенных случаях (масштабные сезонные работы, к примеру — сбор урожая) в секциях Зоны растениеводства (8) могут быть устраиваемы нормальные условия с составом воздуха, соответствующим земному, но в остальное время для этой зоны представляется более выгодным режим, когда отработанный в других зонах воздух поступает туда без дополнительного обогащения кислородом.
Воздух из Зоны растениеводства (8) отбирается в Камеры промежуточного обогащения кислородом и удаления углекислого газа (6), а также частично изымается из системы. Изымаемый воздух направляется на Блок газоразделительного оборудования (1) (П-7, состоящий из CO2, O2, N2, Ar). Таким образом, с одной стороны, в предложенном варианте в системе имеется некоторый внутренний круговорот, который призван уменьшить затраты энергии на газоразделение, а с другой — в Жилой зоне (5) состав воздуха всегда соответствует эталонному.
