Игорь Бубнов - Обитаемые космические станции
В качестве влагопоглотителей для герметической кабины предлагается целый ряд химических веществ Обычные поглотители воды — окислы кальция или бария и широко использующийся в авиации и быту силикагель — требуют от 7 до 10 единиц собственного веса для поглощения одной весовой единицы воды. Значительно выгоднее в весовом отношении перхлорат магния и хлорид лития, требующие лишь 2–3 единицы собственного веса на единицу веса поглощаемой воды. Перхлорат магния может к тому же регенерироваться, т. е. восстанавливаться нагреванием. Правда, это потребует специальных мер предосторожности, так как перхлорат магния при контакте с парами органических веществ и высокой температуре становится взрывоопасным.
Воду и углекислый газ можно удалять и вымораживанием. На ОКС с постоянной ориентацией на Солнце такой метод может оказаться эффективным; для этого необходимо будет обеспечить отвод воды и углекислого газа на холодную, теневую, сторону станции. Как показали лабораторные испытания [23], система поддержания атмосферы в герметической кабине с использованием перекиси калия получается достаточно простой и надежной, причем для поддержания жизнедеятельности одного человека в течение суток необходимо иметь около 2 кг перекиси калия. Определенный интерес для регенерации кислорода на борту ОКС представляет также известный из химии процесс электролиза, т. е. разложения воды под действием электрического тока на кислород и водород. Необходимые для этой цели запасы воды могут пополняться с помощью углекислого газа, который сам может быть превращен в воду при взаимодействии с водородом в присутствии катализатора. Полученный в результате электролиза газообразный кислород можно использовать непосредственно для дыхания, а водород вновь применить для получения воды.
Выполненная в США действующая модель электролитического устройства для регенерации кислорода в герметической кабине весит около 90 кг и занимает площадь примерно 0,2 м2.
Недостатками системы, использующей электролиз воды, являются взрывоопасность свободного водорода и довольно значительный расход электроэнергии. Рассмотренные выше способы поддержания нормального состава атмосферы в герметической кабине основаны на физико-химических процессах, протекающих без участия органической природы, и предоставляют поэтому лишь ограниченные возможности для получения замкнутого кругооборота веществ внутри космической станции.
Но еще К.Э.Циолковский указывал, что в систему жизнеобеспечения продолжительных полетов нужно включать живую материю. Он предлагал выращивать на космическом корабле растения, богатые хлорофиллом, В последнее время в литературе по космической медицине широко обсуждается вопрос об использовании для этой цели водорослевых культур. Особенно перспективна в этом отношении одноклеточная водоросль хлорелла. Теоретически она позволяет осуществить почти полностью замкнутый цикл обмена веществ внутри ОКС при сравнительно несложном оборудовании. Из 230 л водной суспензии хлореллы под действием света ежедневно может выделиться около 600 л кислорода. При этом в процессе фотосинтеза образование кислорода сопровождается поглощением углекислого газа, причем отношение объема выделяемого кислорода к объему поглощаемого углекислого газа равно единице.
Хлорелла обладает еще одним интересным свойством. В процессе роста она синтезирует ценные пищевые продукты: белки, углеводы, жиры и различные витамины, которые могут служить пищей человеку. Если учесть, что для питания хлореллы пригодны такие продукты жизнедеятельности человека, как мочевина, соли и эфиры азотной кислоты, то эту ценную водоросль можно считать замыкающим звеном в цикле азотного обмена между человеком и растениями. Кстати, растет хлорелла поразительно быстро: каждый килограмм ее при соответствующих условиях может увеличить свой вес за сутки в 2,6 раза.
Водорослевая система жизнеобеспечения обладает отличными весовыми характеристиками. Целесообразность ее применения возрастает с увеличением времени пребывания в космосе. Трудностей в разработке подобных систем еще очень много. Но несомненные достоинства их для применения на очень больших обитаемых станциях, а также при длительных межпланетных полетах привлекают к ним все большее внимание.
Приведем примерную классификацию и весовые характеристики экологических систем, предназначаемых для обитаемых космических аппаратов, которые позволяют судить о целесообразности применения системы того или иного типа в зависимости от продолжительности полета [28].
В качестве критерия для классификаций взята степень изолированности экологической системы от внешней среды, т. е. способность к продолжительному функционированию без пополнения необходимыми продуктами извне. С этой точки зрения все экологические системы могут быть подразделены на незамкнутые (открытые), полузамкнутые и замкнутые.
В открытой системе кислород, вода и пища запасаются на все время полета, а накапливающиеся продукты жизнедеятельности постоянно удаляются из кабины. Открытые системы имеют несложное оборудование — баллоны, контейнеры, вентиляторы, приборы контроля за поступлением и удалением продуктов. Вес таких систем быстро возрастает с увеличением продолжительности полета и численности экипажа.
В полузамкнутой системе пища и питьевая вода также запасаются на все время полета, но первоначальный запас кислорода может быть взят небольшим, поскольку в такой системе предусматривается поддержание нормального состава атмосферы кабины одним из рассмотренных выше способов. В отличие от открытой системы в этом случае удаляются наружу не все продукты жизнедеятельности. Углекислый газ используется в ней для регенерации кислорода.
Для замкнутой экологической системы характерным является минимум отброса продуктов жизнедеятельности. Исходный запас продуктов, в том числе и пищевых, многократно регенерируется для повторного использования. Такие системы нуждаются в сложном оборудовании для осуществления в герметической кабине замкнутого кругооборота веществ, но «мертвый» вес этого оборудования практически не изменяется с течением времени, а первоначальный запас продуктов зависит только от численности экипажа.
Из диаграммы (рис. 26), показывающей зависимость веса систем жизнеобеспечения различных типов от продолжительности времени их применения для ОКС с тремя космонавтами на борту, можно увидеть, что небольшие ОКС, рассчитанные на продолжительность существования две — три недели или на частую смену экипажа с доставкой необходимых грузов, могут иметь экологические системы открытого типа [28]. Полузамкнутая экологическая система обладает приемлемым весом при продолжительности полета до двух месяцев (срок, считающийся вполне достаточным для ОКС со сменой экипажа и пополнением запасов пищи и воды с Земли грузовыми ракетами).
Рис. 26. Диаграмма изменения веса экологических систем в зависимости от времени полета ОКС с экипажем из трех человек: 1 — открытая система; 2 — полузамкнутая система; 3 — замкнутая система
Рассмотрим один из возможных вариантов незамкнутой экологической системы на примере американского проекта трехместной научной лаборатории «Сателлаб», рассчитанной на автономное существование на орбите в течение двух недель [28].
С целью повышения надежности основные отсеки «Сателлаба» имеют сдублированную систему жизнеобеспечения, принципиальная схема которой представлена на рис. 27. Капсула возвращения экипажа и отсеки лаборатории имеют идентичные, независимые друг от друга системы теплорегулирования и поддержания нормального состава атмосферы. На орбите в нормальных условиях функционирует система лабораторного отсека, в случае отказа последней включается система, размещенная в капсуле возвращения.
Рис. 27. Схема экологической системы обитаемой космической станции «Сателлаб»: 1 — автоматический регулятор расхода кислорода; 2 — ручной регулятор расхода азота; 3 — вентилятор; 4 — кондиционирующая установка; 5 — электростатический фильтр очистки воздуха; 6 — поглотитель CO2 и запахов; 7 — регулятор давления в кабине; 8 — отверстие подвода воздуха в кабину; 9 — отверстие забора воздуха; 10 — клапаны для подсоединения шлангов наддува скафандров; 11 — водяной насос; 12 — излучатель; 13 — кипятильник; 14 — обратный клапан
Поясним некоторые особенности рассматриваемой экологической системы, связанные с поддержанием нормальных атмосферных условий.
Кислород и азот запасаются в жидком виде, причем расход кислорода контролируется автоматически в зависимости от потребностей экипажа и полного давления в кабине; поступление же азота регулируется вручную. Углекислый газ непрерывно удаляется поглощением гидроокисью лития, хранящейся в специальных канистрах, каждая из которых рассчитана на сутки.
