Međunarodna svemirska stanica (ISS) - Naseljeni umjetni satelit u orbiti na visini od ~ 400 kilometara - oslanja se na sofisticirani, zatvoren - petlja kisikov sustav da održava svoju posadu od 7 astronauta (maksimalni kapacitet) za mjesečno) za mjesecu) za mjesecu) za u mjesecu) za mjesecima) za mjesecima) za mjesecima) za mjesecima) za mjesecima) za mjesecu) za mjesecu) za u mjesecu) za mjesecima) za u mjesecu) za mjesecima) za mjesecima) za u mjesecima) za mjesecima) za mjesecima) za u mjesecu) za u mjesecu) za vrijeme u mjesecu. Za razliku od Zemlje, gdje kisik obiluje u atmosferi, prostor je vakuum bez prirodnog izvora kisika. To znači da ISS mora u potpunosti proizvoditi, pohraniti, distribuirati i reciklirati kisik na ploči -, a istovremeno upravljati otpadnim plinovima poput ugljičnog dioksida (CO₂). Dizajn sustava daje prioritet pouzdanosti (kako bi se izbjegao život {- prijeteći neuspjesi), učinkovitost (kako bi se smanjila misija za ponovno opskrbu) i prilagodljivost (za obradu promjena veličine posade i neispravnosti opreme). Ispod je sveobuhvatan kvar sustava ISS kisika, uključujući njegove temeljne komponente, principe rada, izazove i sigurnosne protokole.
1. Održavanje naseljene atmosfere
Prije nego što uđete u tehničke detalje, ključno je razumjeti glavni cilj sustava ISS kisika: održavanje atmosfere koja oponaša Zemlju što bliže. Za ljudski opstanak, ISS zahtijeva:
Koncentracija kisika: 21% (isto kao i Zemljina atmosfera), što je optimalna razina za disanje i izbjegavanje hipoksije (niskog kisika) ili toksičnosti kisika (visoki kisik).
Pritisak: 101,3 kiloPaskala (KPA) ili 1 atmosfera (atm) - ekvivalentno moru - Tlak na zemlji. To sprječava dekompresijsku bolest (rizik kada tlak padne prenisko) i omogućava astronautima da normalno diše bez specijalizirane opreme (osim tijekom SpaceWalks).
Plinsko pročišćavanje: Uklanjanje otpadnih plinova poput CO₂ (proizvedeno disanjem) i onečišćenja u tragovima (npr. Vapljive organske spojeve iz opreme ili hrane).
Da bi se to postiglo, sustav ISS kisika djeluje kaopolu - zatvorena petlja- proizvodi novi kisik, reciklira kisik iz protoka otpada, pohranjuje višak kisika za hitne slučajeve i ravnomjerno ga distribuira tijekom modula stanice.
2. Sustav za proizvodnju kisika (OGS)
ISS -ov glavni izvor kisika jeSustav za proizvodnju kisika (OGS), modularna postavka koju su razvili NASA i ruski Roscosmos (uz doprinose Europske svemirske agencije, ESA i Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA). OGS koristielektroliza- Isti kemijski postupak koji se koristi u nekim Zemlji - temeljen na generatorima kisika - za podjelu vode (H₂O) na kisik (O₂) i vodik (H₂). Evo detaljnog raščlanjivanja njegovih komponenti i rada:
2.1 Komponente OGS -a
OGS se sastoji od tri ključna podsustava, svaki sa specijaliziranim hardverom:
Sklop za obradu vode (WPA): Prije elektrolize mora se pročistiti voda kako bi se uklonili onečišćenja (npr. Soli, organska tvar) koji bi mogli oštetiti elektrode OGS -a. WPA skuplja vodu iz tri izvora:
Reciklirana voda: Kondenzat iz zraka stanice (vodena para od disanja i znojenja), tretirane otpadne vode (npr. Od sudopera, tuševa) i mokraće (obrađene sklopom za obradu urina, UPA).
Ponovno opskrba vodom: Voda isporučena putem svemirskog letjelice (npr. SpaceX's Dragon, Northrop Grumman's Cygnus) kao sigurnosna kopija za vrijeme recikliranja.
Voda gorivnih ćelija: Nusproizvod bivših gorivnih ćelija stanice (koji se koristi za proizvodnju električne energije prije ugradnje solarnih nizova). Iako gorivne ćelije više nisu primarni izvori energije, njihova se zaostala voda i dalje koristi ako je dostupna.
Modul elektrolize (EM): Srce OGS -a, EM sadrži dvaStanice elektrolize čvrstog oksida (SOEC)- Napredni uređaji koji koriste visoke temperature (600–800 stupnjeva) za podjelu vode na kisik i vodik. Za razliku od tradicionalnih elektroliznih sustava (koji koriste tekuće elektrolite), SOEC koriste čvrsti keramički elektrolit koji je u svemiru učinkovitiji, kompaktni i izdržljiv. Evo kako postupak funkcionira:
Pročišćena voda dovodi se u SOEC kao paru (isparava se kako bi se povećala učinkovitost).
Električna struja (iz ISS -ovih solarnih nizova) primjenjuje se na SOEC -ove elektrode (anoda i katoda).
Na anodi, parka reagira s keramičkim elektrolitom za proizvodnju plina s kisikom (O₂), elektroni i vodikovih iona (H⁺).
Elektroni prolaze kroz vanjski krug (stvarajući malu količinu dodatne električne energije), dok se vodikov ioni kreću kroz elektrolit na katodu.
Na katodi se vodikov ioni kombiniraju s elektronima kako bi nastali vodikov plin (H₂).
Podsustav za rukovanje kisikom (OHS): Nakon proizvodnje, kisik iz EM se obrađuje i distribuira:
Hlađenje: Vrući plin s kisikom (iz SOEC -a) hladi se na sobnu temperaturu pomoću izmjenjivača topline (spojenog na ISS -ov sustav toplinske kontrole).
Sušenje: Svaka preostala vodena para uklanja se molekularnim sitama (slično onima u zemlji - koncentratorima kisika) kako bi se spriječilo kondenzaciju u cijevima stanice.
Distribucija: Suha, čista kisika (čistoća od 99,999%) šalje se u ISS -ovu atmosferu putem mreže ventila i cijevi, miješajući se s postojećim zrakom kako bi se održala koncentracija od 21%.
Odzračenje vodika: Nusproizvod vodika ne koristi ISS (budući da stanica radi na solarnoj energiji, a ne vodikovim gorivnim ćelijama) i odzrači se u svemir. To je ključna razlika od ranih svemirskih stanica poput MIR -a, koje su koristile vodik za proizvodnju električne energije.
2.2 Učinkovitost i kapacitet OGS -a
OGS je dizajniran tako da zadovoljava ISS -ovu dnevnu potražnju za kisikom, koja je ~ 0,84 kilograma (kg) po astronautu (ekvivalent ~ 588 litara plinovitih kisika u 1 atm). Za posadu od 7, to iznosi ~ 5,88 kg kisika dnevno. Ključne metrike performansi OGS -a uključuju:
Stopa proizvodnje: Svaki SOEC može proizvesti ~ 0,5 kg kisika dnevno, tako da dva SOEC -a zajedno stvaraju ~ 1 kg dnevno. Međutim, sustav se upravlja u stupnjevanom načinu (jedan SOEC aktivan, jedan u stanju pripravnosti) kako bi se smanjio trošenje, što rezultira neto proizvodnjom od ~ 0,5 kg dnevno. To znači da sami OG -ovi ne mogu zadovoljiti zahtjev pune posade - otuda potreba za dodatnim izvorima kisika (vidi odjeljak 3).
Energetska učinkovitost: SOEC su vrlo učinkoviti, pretvarajući ~ 80% električne energije u kisik (u usporedbi s ~ 60% za tradicionalne sustave elektrolize). To je kritično jer ISS -ovi solarni nizovi imaju ograničen kapacitet (~ 120 kilovata, KW, snage za sve sustave).
Pouzdanost: OGS ima životni vijek dizajna od 15 godina (produžen od originalnih 10 godina) i uključuje suvišne komponente (npr. Backup SOEC, ventile) kako bi se spriječile neuspjehe. Od svoje instalacije 2008. godine (kao dio ISS -ovog node 3 modula, mir), OGS je doživio samo manje problema (npr. Začepljeni filteri za vodu) koji su riješeni daljinskim rješavanjem problema.
3. Sigurnosna kopija i dopunski sustavi
Iako je OGS primarni izvor kisika, ISS se oslanja na tri sekundarna sustava kako bi se osigurala kontinuirana opskrba - kritična za kada OGS kvari ili tijekom najveće potražnje (npr. Kada se veličina posade privremeno povećava).
3.1 Spremnici s kisikom pod pritiskom (ruski segment)
ISS -ov ruski segment (RS) - koji uključuje module poput zvezda (servisni modul) i Nauka (višenamjenski laboratorijski modul) - koristiSpremnici s kisikom pod pritiskomkao sigurnosna kopija. Ovi spremnici su:
Dizajn: Cilindrični spremnici izrađeni od legure od titana (da izdrže visoki tlak i zračenje svemira) s kapacitetom od ~ 40 litara. Oni pohranjuju kisik kao visoki - tlačni plin (3000 psi, ili 20,7 MPa) - Istu vrstu koja se koristi u Zemlji - SCUBA spremnici, ali modificirani za prostor.
Opskrbiti: Spremnici se isporučuju na ISS putem ruske svemirske letjelice tereta (npr. Napredak) i pričvršćen na vanjske luke RS -a. Svaka misija napretka nosi 2–3 spremnika, pružajući ~ 100–150 kg kisika po misiji (dovoljno da podrži posadu od 7 za ~ 20–25 dana).
Raspoređivanje: Kad OGS ne uspije, sustav za podršku RS -a otvara ventile za oslobađanje kisika iz spremnika u atmosferu stanice. Spremnici se također koriste tijekom svemirskih ploča (EVA, ekstravehikularna aktivnost) za opskrbu svemiranim astronautima kisika.
3.2 Svijeće kisika (kemijski generatori kisika)
Za hitne situacije (npr. Veliki kvar OGS -a u kombinaciji s kašnjenjem u ponovnom dostavi tereta), ISS koristisvijeće s kisikom- Kompaktni, kemijski - generatori koji proizvode kisik putem toplinske reakcije. Te su svijeće:
Sastav: Svaka svijeća je čvrsti blok natrijevog klorata (NaClo₃) pomiješan s katalizatorom (npr. Željezni prah) i gorivom (npr. Aluminij). Kad se zapali, natrijev klorat raspada na visokim temperaturama (500–600 stupnjeva) kako bi se stvorio plin kisik i natrijev klorid (tablicu sol).
Kapacitet: Jedna svijeća (težine ~ 1 kg) proizvodi ~ 60 litara kisika (dovoljno za jednog astronauta ~ 10 sati). ISS nosi ~ 100 svijeća, pohranjene u vatrootpornim spremnicima u svakom modulu (npr. Zarya, Unity) za jednostavan pristup.
Sigurnost: Svijeće s kisikom dizajnirane su tako da budu sigurne u prostoru - Ne proizvode otvoreni plamen (samo toplina), a nusproizvod natrijevog klorida nije - toksičan (sakuplja se u filtru i kasnije se uklanja tijekom teretnih misija). Međutim, oni se koriste samo kao posljednje sredstvo zbog ograničenog kapaciteta i potrebe za ručnim aktivacijama.
3.3 Regenerativna životna podrška: Recikliranje kisika iz CO₂
ISS -oviSustav kontrole okoliša i životne podrške (ECLSS)Uključuje regenerativnu komponentu koja reciklira kisik iz CO₂ - smanjujući potrebu za novom proizvodnjom kisika. To se radi putemSklop uklanjanja ugljičnog dioksida (CDRA)(Američki segment) iVozdukh sustav(Ruski segment):
CDRA (američki segment): Koristi dva - postupak korakaDesorpcija vode krute aminske vodeDa biste uklonili CO₂ i proizveli kisik:
Co₂ adsorpcija: Zrak s ISS -a pumpa se kroz krevet od čvrstog amina (kemijski spoj koji se veže na CO₂). Aminski zamke CO₂, dok se čisti zrak (bez CO₂) vraća na stanicu.
Desorpcija i proizvodnja kisika: Kad je aminski krevet zasićen, zagrijava se za oslobađanje zarobljenog CO₂ -a. CO₂ tada reagira s vodikom (iz OGS -ovog procesa elektrolize) u aSabatier reaktor(druga komponenta ECLSS) za proizvodnju vode (H₂O) i metana (CH₄). Voda se zatim šalje u OG -ove kako bi se podijelila u kisik i vodik, stvarajući zatvorenu petlju.
Vozdukh sustav (ruski segment): Koristi sličan postupak, ali s drugačijom kemikalijom (litijev hidroksid, LIOH) za apsorbiranje CO₂. Za razliku od CDRA, sustav Vozdukh ne reciklira CO₂ u kisik - umjesto toga, LIOH se odbacuje nakon što postane zasićen (zamjenjuje se misijama tereta). Međutim, jednostavnija je i pouzdanija od CDRA -e, što ga čini vrijednom sigurnosnom kopijom.
Regenerativni sustav smanjuje ISS -ovu potražnju za kisikom za ~ 40%- Kritični dobitak učinkovitosti koji minimizira potrebu za ponovnim misijama. Na primjer, bez recikliranja, stanica bi trebala ~ 9,8 kg kisika dnevno za 7 astronauta; Uz recikliranje, to pada na ~ 5,88 kg.
4. Osiguravanje otpornosti za hitne slučajeve
Pored sekundarnih izvora, ISS je posvetio sustave za skladištenje kisika za rješavanje najveće potražnje i hitnih slučajeva. Ovi su sustavi dizajnirani za pohranjivanje kisika u dva oblika: visoki - tlačni plin i tekućina.
4.1 Visoko - skladištenje plina pod tlakom (američki segment)
Američki segmentVisoki - TREBA PLANSKI TENKSnalaze se u čvoru 1 (jedinstvo) i čvoru 3 (spokoj) modula. Ovi tenkovi:
Dizajn: Sferni spremnici izrađeni od inkonela (nikl - kromijska legura otporan na koroziju i visoke temperature) kapaciteta od ~ 150 litara. Oni pohranjuju kisik na 6 000 psi (41,4 MPa) - dvostruko više od pritiska tenkova ruskog segmenta - što omogućava da se više kisika pohranjuje u manji prostor.
Kapacitet: Svaki spremnik drži ~ 100 kg kisika (dovoljno za 7 astronauta ~ 17 dana). Američki segment ima 4 takva spremnika, pružajući ukupnu sigurnosnu kopiju od ~ 400 kg (dovoljno za ~ 68 dana).
Koristi slučaj: Ovi spremnici koriste se za nadopunu OG -a tijekom vršne potražnje (npr. Kada su dva astronauta na svemirskom putu, povećavajući potrošnju kisika za ~ 50%) i kao sigurnosna kopija ako OGS ne uspije. Također se koriste za rezbarenje stanice nakon svemirskog hoda (budući da se neki zrak gubi tijekom EVA).
4.2 Skladištenje tekućeg kisika (LOX) (samo hitno)
Za dugo - termine hitne slučajeve (npr. Mjeseci - dugi OGS neuspjeh), ISS može pohranitiTekući kisik (LOX)- Isti oblik koji se koristi u raketnom gorivu. Lox je pohranjen u:
Dizajn: Dvostruki - zidni spremnici s vakuumskim izolacijskim slojem kako bi se LOX zadržao na -183 stupnjeva (njegova točka ključanja u 1 atm). Spremnici su mali (~ 50 litara) zbog ograničenog prostora na stanici.
Kapacitet: 50-litreni LOX spremnik drži ~ 60 kg kisika (budući da LOX ima gustoću od 1,141 kg/L), dovoljno za 7 astronauta tijekom ~ 10 dana. ISS ima 2 takva spremnika, pružajući ukupno ~ 120 kg (dovoljno za ~ 20 dana).
Izazovi: Skladištenje LOX -a u prostoru je teško jer temperatura postaje fluktuira (od - 120 stupnjeva u sjeni do 120 stupnjeva sunčeve svjetlosti), uzrokujući da neki LOX odbije (isparava). Da bi se umanjila mjerenje, spremnici su opremljeni grijačima koji reguliraju temperaturu i ventil za ublažavanje tlaka koji otvori višak plina (koji se zatim zarobljava i koristi u atmosferi stanice).
5. Osiguravanje ujednačene opskrbe preko modula
ISS je složena mreža od 16 modula (od 2024.), uključujući stambene prostore (npr. Posade), laboratorije (npr. Columbus, Kibo) i servisne module (npr. Zvezda, Nauka). Kako bi se osiguralo da svaki modul ima konstantnu koncentraciju kisika od 21%, stanica koristi acentralizirani distribucijski sustavsa sljedećim komponentama:
5.1 ventilatori za cirkulaciju zraka
Svaki modul ima 4–6Ventilatori za cirkulaciju zrakakoji pomiče zrak brzinom od ~ 1 kubičnog metra u minuti. Ovi obožavatelji:
Spriječite stajaće džepove zraka (što bi moglo dovesti do niske razine kisika u uglovima modula).
Pomiješajte novo proizvedeni kisik s postojećim zrakom kako biste održali koncentraciju od 21%.
Gurnite zrak kroz CDRA/Vozdukh sustave kako biste uklonili CO₂ i onečišćenja.
Ventilatori su kritični jer, u mikrogravitaciji (bez ikakvih vesteričnosti), zrak ne cirkulira prirodno (kao što to čini na Zemlji zbog konvekcije). Bez obožavatelja, astronauti bi mogli doživjeti hipoksiju u područjima daleko od izvora kisika.
5.2 Ventili i cijevi
Mrežacijevi od nehrđajućeg čelika(Promjera 2–4 inča) povezuje OGS, spremnike i module. Svaka cijev je opremljena:
Ventili s solenoidima: Električno kontrolirani ventili koji se otvaraju i blizu reguliranja protoka kisika. Ti su ventili suvišni (svaka cijev ima dva ventila) kako bi se spriječilo curenje.
Senzori tlaka: Pratite pritisak u cijevima kako biste osigurali da odgovara atmosferskom tlaku stanice (101,3 kPa). Ako padne tlake (npr. Zbog curenja), senzori pokreću alarm i zatvaraju pogođene ventile.
Filtri: Uklonite prašinu i ostatke iz kisika kako biste spriječili oštećenje ventilatora i sustava za podršku životnim satima.
5.3 Modul - specifični regulatori
Svaki modul ima aregulator tlakakoji prilagođava protok kisika u modul na temelju njegove veličine i zauzetosti. Na primjer:
Mali moduli (npr. Posade, koje su ~ 10 kubičnih metara) zahtijevaju nižu brzinu protoka (~ 0,1 kg kisika dnevno) od velikih modula (npr. Columbus laboratorij, koji je ~ 75 kubičnih metara, zahtijevajući ~ 0,5 kg dnevno).
Regulatori također osiguravaju da pritisak modula ostane na 101,3 kPa, čak i ako se ostaju drugi moduli (npr. Nakon prostora).
