Если ресурсы ограничены, то приходится работать с тем, что есть, особенно в суровых условиях космического пространства. Конечно, на МКС регулярно отправляют грузовые корабли с поставками, но для длительных миссий важна самодостаточность. Поэтому придется перерабатывать и повторно использовать драгоценные ресурсы, среди которых и кислород.
Свежий воздух
Сейчас ученые активно изучают как фотосинтез (процесс трансформации организмом света в энергию с побочным продуктом в виде кислорода) осуществляется в космосе. Для этого взяли микроводоросли Arthrospira (спирулина) и погрузили в фотобиореактор (цилиндр, наполненный светом). На станции углекислый газ через фотосинтез будет переходить в кислород и съедобную биомассу (белки).
Мы знаем, как это происходит в земных условиях, но важно протестировать процесс в пространстве. Эксперимент собираются проводить в течение месяца, когда количество кислорода из водорослей изменится достаточно.
После возвращения на Землю микроводоросли проанализируют в апреле 2018 года. Генетическая информация позволит получить более четкую картину влияния невесомости и радиации на растительную клетку. Известно, что Arthrospira наделена высокой устойчивостью к излучению, но нужно проверить ее максимальные способности.
Проект входит в часть программы Melissa (Альтернативная система жизнеобеспечения). Она отвечает за многие исследовательские и образовательные мероприятия, вроде проекта AstroPlant – собирает сведения о росте растений в разных уголках Земли.
Следом за этим последует проект Uriniss, изучающий рециркуляцию мочи, чтобы создать газообразный азот, энергию, потенциальные питательные вещества для растительности и воду.
Ночью 30 августа 2018 года на Международной космической станции сработал сигнал утечки воздуха. Лайф рассказывает, как космонавтам удалось справиться с проблемой при помощи немецкого пальца и качественного скотча.
Ночью 30 августа 2018 года, когда космонавты мирно спали в своих спальных мешках, пристегнув себя к стенам, чтобы не отправиться в плавание по кораблю, на МКС сработала сигнализация, предупреждающая об утечке газовоздушной смеси из пространства станции. По меркам станции, это одно из самых серьёзных ЧП, так как лишнего воздуха на станции нет, поэтому космонавты, вскочив посреди ночи, принялись искать причину утечки.
Для этого, разбившись на группы, космонавты поочередно изолировали отсеки и проверяли, где именно происходит утечка. Датчик работает от понижения давления, поэтому, если проблемный отсек будет заизолирован и утечка прекратится, станет понятно, где именно искать проблему. Всё это время, пока проблему не локализовали, на станции падало давление. Обычно там поддерживается давление, близкое к нормальному, - 760 миллиметров ртутного столба, к моменту локализации проблемы атмосферное давление в модуле Destiny составляло около 724 мм рт. ст. То есть утечка была достаточно серьёзной.
Что же стало причиной утечки? Российский пилотируемый корабль "Союз МС-09", пристыкованный к модулю "Рассвет". Именно в нём, в бытовом отсеке, после внимательных поисков была обнаружена микротрещина размером всего полтора миллиметра. Трещину заткнули пальцем немецкого космонавта Александра Герста. Впоследствии космонавты заклеили трещину специальным скотчем и в настоящее время работают над устранением последствий. Затем обнаружилось и ещё одно отверстие, которое также заклеили.
Основная проблема в таком случае - найти причину утечки и постараться её локализовать как можно быстрее. Слишком уж мал запас кислорода на станции, чтобы так бездарно растрачивать его, выпуская в космос. Проблема в том, что определить, где именно утечка, очень сложно. Объём кораблей достаточно большой, а воздух выходит практически беззвучно.
В данном случае оказалось, что обе микротрещины находятся совсем рядом со стыковочным узлом космического корабля "Союз МС-09", на котором космонавты прилетели на МКС 6 июня 2018 года. Учитывая место микротрещин, логично предположить,что корабль мог получить повреждения во время стыковки. Вообще, обшивка космических кораблей не очень толстая - это специальный алюминиевый сплав толщиной всего около миллиметра, покрытый сверху теплоизоляцией из двух слоёв - верхнего слоя, состоящего из асбестоцементного ламината, и нижнего слоя из "лёгкого теплоизоляционного материала".
Вы спросите, как же такая оболочка выдерживает очень высокую температуру во время спуска на Землю? Всё дело в том, что на Землю возвращается только небольшая часть пилотируемого космического корабля "Союз" - спускаемая капсула. У неё стенки гораздо прочнее, и требования там совсем другие. Бытовой отсек - это дополнительное пространство, использующееся космонавтами во время полёта к МКС. Там можно размять затёкшие в ложементе ноги, переодеться или сходить в туалет. Не будь бытового отсека, двое суток пути на станцию стали бы сверхтяжёлым испытанием.
Поэтому и заделать скотчем внешний отсек - это нормальная практика, проблем дополнительных от этого не будет. Скотч будет нормально держать до момента отстыковки пилотируемого корабля. Кстати, скотчем в космосе пользуются с завидной регулярностью - это удобно и быстро. В романе Энди Вейера "Марсианин", где хорошо подмечены многие реалии современной космонавтики, можно найти прямо дифирамбы скотчу: "Скотч работает вообще везде и повсюду. Скотч - это дар богов, ему нужно поклоняться".
Часто ли происходят подобные проблемы? Увы, бывает. Международная космическая станция напоминает огромный живой механизм, за которым нужно постоянно следить. Вот космонавты и занимаются регулярно всякими профилактическими работами. Меняют различные прокладки, проверяют надёжность крепления. Среди работ, проводимых на станции, можно выделить три основных направления. Первое - это проверка всех систем, их починка или же плановая замена сменных компонентов. Американские астронавты даже шутили, что работа на МКС похожа на гигантский космический автосервис: всем системам требуются смена фильтров и регулярное тестирование.
Второй вид работ - это погрузочно-разгрузочные. С космическими грузовыми кораблями прилетает несколько центнеров еды, воды и оборудования для экспериментов. Разгрузка каждого из таких "грузовиков" превращается в длительное и малоувлекательное занятие - требуется все коробки и упаковки по одной перенести в нужный отсек и закрепить их там. Нельзя просто забросить еду в технологический отсек и оставить её летать в условиях пониженной гравитации: потом просто невозможно будет ничего найти. Космос приучает к аккуратности.
Быт на орбите существенно отличается от земного. Невесомость, изоляция от Земли и автономность станции накладывают свой отпечаток на повседневную жизнь космонавтов во время полёта. Комфортные условия, которые так естественны на Земле, что мы даже не замечаем их, обеспечиваются на борту МКС целым рядом сложных систем, таких как системы обеспечения газового состава, водообеспечения, санитарно-гигиенического обеспечения, питания и других. Выполнение самых привычных земных дел на орбите — это целая наука. Космонавты изучают бортовые системы на специальных курсах и тренируются на практических занятиях правильно «наливать сок», «умываться», «варить суп». В кавычках — потому что на МКС нельзя просто открыть холодильник, достать пакет сока и налить его в стакан или включить воду для умывания. Всем тонкостям повседневной жизни на МКС космонавтов учат специалисты научно-исследовательского испытательного отделения технической подготовки космонавтов к лётным и наземным испытаниям и эксплуатации систем жизнеобеспечения орбитальных пилотируемых комплексов, сопровождения, создания и испытаний тренажёрных средств по системам жизнеобеспечения, экспертизы, оценки безопасности полётов, разработки методик и учебно-методических средств подготовки.
Возглавляет отделение Андрей Викторович Скрипников, выпускник Тамбовского авиационно-инженерного института имени Ф. Э. Дзержинского. В 2002 году Андрей Викторович был принят на работу в Центр подготовки космонавтов.
В отделе систем жизнеобеспечения он сначала готовил экипажи МКС к действиям в случае пожара и разгерметизации, а затем обучал космонавтов работе с системами жизнеобеспечения транспортного корабля «Союз» и скафандром «Сокол-КВ2». В настоящее время Андрей Викторович занимается организацией и координацией работы в своём отделении.
Легко ли дышится космонавтам?
Создание атмосферы, пригодной для дыхания на борту МКС, — задача средств кислородообеспечения и очистки атмосферы. В их комплекс входят как источники кислорода, так и системы по очистке атмосферы, которые удаляют углекислый газ, микропримеси, пахучие вещества, обеззараживают атмосферу.
Практически все системы жизнеобеспечения, используемые на МКС, прошли испытания и хорошо себя зарекомендовали во время эксплуатации станции «Мир».
« Электрон » — система кислородообеспечения, построенная на принципе электрохимического разложения воды на кислород и водород. Дважды в сутки необходимо контролировать состояние системы и докладывать о нём на Землю. Почему?
Во-первых, система связана с вакуумом: водород, образующийся в процессе разложения воды, сбрасывается за борт, а значит, существует возможность разгерметизации станции.
Во-вторых, в системе присутствует щёлочь, и ни в коем случае нельзя допустить её попадания на кожу или в глаза.
В-третьих, водород и кислород образуют вместе в определённых пропорциях «гремучий газ», который может взорваться, и потому особенно важно следить за стабильным состоянием системы.
Учебный стенд системы «Электрон»
Все системы обеспечения жизнедеятельности МКС дублируются на случай отказов. Дублирующей для «Электрона» системой является твердотопливный генератор кислорода (ТГК).
Инструктор космонавтов по средствам жизнеобеспечения Дмитрий Дедков демонстрирует работу твердотопливного генератора кислорода
Кислород в генераторе получают из шашек, в которых находится кислородосодержащее вещество в твёрдом виде. Шашки «поджигают» (конечно, речь идёт не об открытом пламени), и в процессе горения выделяется кислород. Температура внутри шашки достигает +450˚С. Для одного человека необходимо около 600 литров кислорода в сутки. В зависимости от типа шашки при её сгорании выделяется от 420 до 600 литров кислорода.
Кроме того, кислород доставляется на МКС грузовыми кораблями «Прогресс» в газообразном виде под высоким давлением в шар-баллонах.
Для нормальной жизнедеятельности на станции нужно не только пополнять атмосферу кислородом, но и очищать её от углекислого газа. Превышение содержания углекислого газа в атмосфере гораздо опаснее, чем снижение количества кислорода. 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.
Подготовка системы «Воздух» к работе
Блок очистки атмосферы от микропримесей (БМП) очищает воздух от всевозможных вредных газообразных примесей в атмосфере станции. Это тоже система регенерационного типа, только если очистка атмосферы и регенерация поглотительных элементов в системе «Воздух» происходит в автономном режиме циклами по 10, 20 или 30 минут и в автоматическом режиме от 10 до 50 минут, то в БМП патроны работают в режиме очистки на 18 — 19 суток с последующей регенерацией. Ресурс её главных функциональных элементов — патронов очистки атмосферы — составляет 3 года, но за 10 лет работы системы необходимость их замены не возникла: газоанализаторы показывают отличное состояние атмосферы.
Учебный стенд блока очистки от микропримесей
Кроме того, нормальный состав атмосферы поддерживают дублирующие системы: одноразовые поглотительные патроны, фильтры удаления вредных примесей и очистки от дыма, а также устройство обеззараживания воздуха «Поток», которое автоматически включается каждые сутки на 6 часов и обеззараживает атмосферу МКС.
В случае нештатной ситуации и проблем в какой-нибудь из систем срабатывает аварийная сигнализация. Космонавты должны обнаружить, распознать нештатную ситуацию и найти способ выхода из неё. На земных тренировках космонавтам нужно отработать все возможные нештатные ситуации, даже если вероятность их возникновения на МКС очень мала.
Учебный класс (стенды «Воздух», «БМП», «Электрон», «Поток»)
Для выхода из нештатной ситуации космонавты должны разбираться не только в устройстве системы, но и хорошо понимать принцип её работы. На занятиях, кроме знаний по системам станции, экипаж обучают специальным расчётам, например, для прогнозирования изменения состояния атмосферы при отказах в системах обеспечения газового состава.
Подготовку космонавтов к работе со средствами обеспечения газового состава на МКС ведёт ведущий научный сотрудник отделения Дмитрий Кузьмич Дедков. Д. К. Дедков по образованию — радиоинженер, выпускник Киевского высшего инженерно-авиационного военного училища. После окончания училища он получил распределение в отдельный испытательно-тренировочный авиационный полк при Центре подготовки космонавтов, где служил начальником лаборатории контрольно-регистрирующей аппаратуры. «Мы записывали параметры полётов самолётов-лабораторий во время выполнения режимов невесомости, все экспериментальные научные параметры, медицинские параметры операторов, участвующих в экспериментах. Каждый раз было что-то новое», — рассказывает инструктор.
Д. К.Дедков
В 1975 году Дмитрий Кузьмич перешёл в научно-исследовательский методический отдел Центра в качестве младшего научного сотрудника. Там он занимался научно-исследовательской работой и принимал участие в практических экспериментах по подготовке космонавтов на летающих лабораториях. На его счету около двух сотен полётов «на невесомость». Параллельно, в рамках подготовки космонавтов к экстремальной деятельности, Дедков увлёкся парашютными прыжками для отработки методик подготовки космонавтов при действиях в экстремальных ситуациях. Во время прохождения специальной парашютной подготовки космонавт до раскрытия парашюта, находясь в свободном падении, должен выполнять логические задания и вести репортаж. Всё, через что пришлось пройти космонавтам, прежде на себе испытал Дмитрий Кузьмич. Кроме того, он занимался испытаниями индивидуальных плавательных средств в случае приводнения спускаемого аппарата.
В 1987 году Д. К. Дедков защитил кандидатскую диссертацию, посвящённую изучению методов и моделей формирования планов деятельности экипажа пилотируемого космического аппарата. Целью работы являлась автоматизация составления плана полёта и циклограммы деятельности экипажа на тренировку. В 1988 году он стал начальником лаборатории в отделе систем обеспечения жизнедеятельности. В 1994 году он возглавил этот отдел и оставался на этой должности до выхода на пенсию в 1999 году. Сейчас он продолжает работать в отделении СОЖ ведущим научным сотрудником, ведёт научную и преподавательскую деятельность, разрабатывает технические задания на стенды-тренажёры и поддерживает их в работоспособном состоянии. Д. К. Дедков — заслуженный испытатель космической техники, инструктор парашютно-десантной подготовки (330 прыжков с парашютом), почётный радист.
В следующий раз мы расскажем о питании космонавтов и « водных процедурах » на орбите.
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.
«Предыдущие космические миссии – Меркурий, Джемини, Аполлон, брали с собой все необходимые запасы воды и кислорода и сбрасывали жидкие и газообразные отходы в космос», - поясняет Роберт Багдижян (Robert Bagdigian) из Центра Маршалла. Вкратце, системы жизнеобеспечения астронавтов были «разомкнутыми» – они полагались на поддержку с Земли, что частично верно и сегодня для Международной космической станции (МКС).
Однако для продолжительных миссий на или появляется смысл в том, чтобы замкнуть систему – то есть перерабатывать воздух и грязную воду, вместо того чтобы выбрасывать их. В ближайшее время на МКС будут проводиться испытания такой системы регенерации. Название проекта – Системы контроля среды и жизнеобеспечения (Environmental Control and Life Support Systems), более известное под аббревиатурой ECLSS. Роберт Багдижян является руководителем данного проекта.
Система регенерации воды ECLSS
«Русские опередили нас в этой области, - говорит Робин Карраскилло (Robyn Carrasquillo), технический руководитель проекта ECLSS, - Ещё космические аппараты «Салют» и «Мир» были способны конденсировать влагу из воздуха и использовали электролиз – пропускание электрического тока через воду – для производства кислорода». Разработанная в NASA система ECLSS будет запущена на МКС в 2008 году и пойдёт в вопросах регенерации ещё дальше – она способна получать питьевую воду не только из испарений, но и из мочи.
Процесс восстановления воды из мочи – сложная техническая задача: «Моча гораздо «грязнее» водяных испарений, - объясняет Карраскилло, - Она способна разъедать металлические детали и засорять трубы». Система ECLSS использует для очищения мочи процесс, называемый парокомпрессионная дистилляция: моча кипятится до тех пор, пока вода из неё не превратится в пар. Пар – естественно очищенная вода в парообразном состоянии (за исключением следов аммиака и других газов) – поднимается в дистилляционную камеру, оставляя концентрированную коричневую жижу нечистот и солей, которую Карраскилло милосердно называет «рассолом» (который затем выбрасывается в открытый космос). Затем пар охлаждается, и вода конденсируется. Полученный дистиллят смешивается со сконденсированной из воздуха влагой и фильтруется до состояния, пригодного для питья. Система ECLSS способна восстановить 100% влаги из воздуха и 85% воды из мочи, что соответствует суммарной эффективности около 93%.
Описанное выше, однако, относится к работе системы в земных условиях. В космосе появляется дополнительная сложность – пар не поднимается вверх: он не способен подняться в дистилляционную камеру. Поэтому в модели ECLSS для МКС «…мы вращаем дистилляционную систему для создания искусственной гравитации, чтобы разделить пары и рассол», - поясняет Карраскилло.
Более того, в микрогравитации космического аппарата человеческие волосы, частицы кожи, пух и другие примеси взвешены в воздухе и не падают на пол. В связи с этим необходима внушительная система фильтрации. В конце процесса очистки в воду добавляется йод для замедления роста микробов (хлор, используемый для очистки воды на Земле, слишком химически активен и опасен для хранения в условиях космоса).
Система регенеративного восстановления воды для МКС, имея вес около полутора тонн, будет «…производить полгаллона воды в час, что больше, чем потребности команды из трёх человек, - заявляет Карраскилло, - Это позволит космической станции непрерывно поддерживать жизнедеятельность шести астронавтов». Система разработана для производства питьевой воды «…стандарты чистоты которой выше большинства муниципальных водопроводных систем на Земле», - добавил Багдижян.
В добавление к производству питьевой воды для экипажа, система восстановления воды будет снабжать водой другую часть ECLSS: систему генерации кислорода (oxygen generation system, OGS). Принцип действия OGS – электролиз. Молекулы воды расщепляются на кислород, необходимый для дыхания, и водород, который выводится из космического аппарата. «Цикл производства воздуха требует достаточно чистую воду, чтобы электролизные камеры не засорялись», - подчёркивает Багдижян.
«Регенерация гораздо более эффективна, чем пополнение запасов станции с Земли», - заявляет Карраскилло, особенно после того, как закончится срок эксплуатации Шаттлов в 2010 году. Восполнение 93% грязной воды впечатляет, однако для многомесячных и многолетних миссий к Луне и Марсу, последующие версии системы ECLSS должны достигать эффективности, близкой к 100%. В таком случае астронавты будут готовы к выживанию в условиях нашей «Дюны».