ISSの二酸化炭素

10月には、新しい（基本的に）空気再生システムがISSに設置されました。これにより、空気サイクルの閉鎖が2倍になります。







ただし、すべてが技術の進歩とともに順調に進んでいる場合、このオプションは長続きせず、 以前のタイプのシステムにロールバックします。 しかし、進歩が止まった場合、新しいシステムは何十年もの間、ゴールドスタンダードになります。



要約： 息苦しさとは何か：酸素が少ない？ -NASAおよび米国海軍のCO ₂基準-人はどれくらいのCO _2を排出しますか？ -空気再生システムのI世代-II世代-III世代-完全な再生を備えたシステムの見通し-比較表

蒸れとは何ですか？

呼吸には酸素が必要であることは誰もが知っています。 多くの人は、酸素の一部が部屋で吐き出されたため、部屋の息苦しさが来ると確信しています。 そして、新しいものが通りから到着するように放送が必要です。



実際、これはそうではありません。



平均的な人は、酸素を1日あたり1 kg（または1分あたり1/2 g）消費します。



通常の条件（O ₂含有量0.28 kg / m ³ ）で中央の部屋（3x5x2.6 = 40）の酸素を山のように低いレベルに吐き出すには、1人で1週間呼吸する必要があります。



現実には、簡単にわかるように、部屋に1週間閉じ込められても機能しません。 人が寝室で密閉されている場合、彼は一晩でもほとんどそれを費やすことはありません。 数時間で、睡眠は落ち着きなくなり、蒸れた感覚が増します。 そのような部屋での一日は拷問になります-eg話ではなく、最も文字通りの意味で。 物理的には、人は非常に病気になります。



それは酸素の問題ではなく、二酸化炭素の問題です。

人はどのくらいのCO _2を排出しますか？

新鮮な空気では、CO ₂の含有量_は約0.04％（0.5 g / m ³ ）です。



含有量を0.7％以上に増やすと、蒸れを無視するのがますます難しくなります。 これは心理的な不快感だけでなく、顕著な生理学的変化（1％から）です。呼吸の頻度と深さの増加、圧力の増加、心拍数、発汗の増加。 複雑な作業でのエラーの数が増加し、頭痛が始まり、最大濃度が達成できなくなります（2％から）。 民間調査では、2.5％を超えるコンテンツで実験しないでください。



1 kgのO ₂を消費すると、男性は約1.4 kgのCO ₂を吐き出します。





最初は完全に新鮮な空気で満たされた40 m ^3の壁のある部屋では、20分で「自然な」CO ₂含有量が₂倍になります。 1泊あたり20回以上-最大1％。 1日あたり最大3％。

NASAおよび米国海軍のCO ₂標準

地上の生活では、窓が開かず、何日も続けて働かなければならない壁で囲まれた場所は潜水艦です。



宇宙飛行士よりもはるかに多くの潜水艦がいます。 そして、彼らの仕事は、同様に複雑で責任があります。 したがって、大きくて質の高い統計があります。



宇宙再生システムを開発するとき、それらはこの経験に導かれますが、宇宙飛行士の基準はより人道的なものに設定されているため、NASAは長期的に1/3の要因を取ることを決定しました。







0.8％です。



しかし、実際には、NASAはISSレベルを0.5％以下に維持しようとしています。 事実、そのようなレベルであっても、個々の宇宙飛行士は不快感を感じるようになります。MCCの心理学者は、たとえ彼ら自身が文句を言わなくても、人々の行動が著しく変化していることに気付きます。



そして、必要性が生じます：空気中の低CO ₂を維持する方法は？

0世代目-吹く

歴史的に、これは最も単純なため、これが非常に最初の決定です。







宇宙服の雰囲気を徐々に酸素でパージするだけです。 呼吸中に放出された二酸化炭素は、混合物の残りと一緒に真空に放出されます。 まだ呼吸する酸素がたくさんあるところ。



通常のシステムとして、これは宇宙探査のまさに始まりにのみ存在したことは明らかです。

現在、このシステムは宇宙服のバックアップシステムとしてのみ使用されています。 つまり、メインシステムが故障した場合（次の世代を参照）、またはメインシステムがすでに使い果たされており、宇宙飛行士が帰還する時間がなかった場合の緊急時の拡張として。 現代のスーツにおけるこのような予備システムの推定稼働時間は30分です。



そのようなシステムがどのように効果的でないかを明確にするために、これらの半時間で1.2kgの酸素が送風に費やされ、そのうちの15-15グラムを吸収します。 効率は2％未満です。

私世代-空気のための有名な「チェッカー」

この再生システムは、ほとんどすぐに主要なシステムになりました-そして、そのような10年のままでした。



月の最初の男とシャトルの最後の人によって使用されました（その時までにISSで、その前にはミールで、そしてスカイラブでさえ、次世代はすでに標準バージョンとして使用されていました。以下を参照）。



空気は、外部に排出されることなく、閉サイクルで駆動されます。 酸素の損失は、シリンダーから（または後に、水の電気分解から）酸素が混合され、CO ₂を除去するために水酸化リチウム容器が使用されるという事実によって補償されます。



2LiOH + CO ₂ →Li ₂ CO ₃ + H ₂ O



二酸化炭素は炭酸リチウムに結合します。 正式には、この反応で水が放出されます。これは（理論的に）抽出および水素と酸素への分解を試みることができ、それらは再び使用できます。



実際には、チェッカーをすべてのコンテンツとともに使用した後、ゴミ箱に移動します。 コンパクトであるため、このようなシステムは、現代のすべての宇宙服と配達船（Soyuz、将来のアメリカ人）の標準システムとして使用されます。 そのシンプルさと信頼性のために、そのようなシステムはISSでスペア/追加とみなされます-通常のシステムが故障している場合; 駅に人が多すぎて、メインシステムが対応できない場合。



ISSがまだISSに飛んでいるとき、それぞれに大群があり、全員がシャトルの推定飛行時間よりも多くの時間をステーションで過ごしました。そして、ISSのドラフトのストックの別の重要な部分。 それから、新しい貨物が貨物船に投げられました。



現代のアメリカのチェッカーには3 kgのLiOHが含まれていますが、







ロシアの5 kg。



チェッカーがあれば、理想的には、かけがえのないほど失われるものがはるかに少なくなります。二酸化炭素はチェッカーによって取り除かれます。 チェッカー自体。 （そして、水から酸素を生成すると、水から放出された水素もまた船外に出ます。）



同時に、重量で最も大きな無駄はチェッカーそのものです。 下書きを使わずにどうにかして可能ですか？

II生成-ISSの通常モード

非常に失礼な場合、これはフィラー付きの高度な猫トレイです。



気体で十分に飽和している物質がありますが、分子の直径に応じて異なります。 二酸化炭素が捕捉され、窒素と酸素はほとんどありません。 つまり、私たちの前には、いわゆる「モレキュラーシーブ」があります。 Skylab以来、それはゼオライトです。



ゼオライトが濡れないように（ステーションの通常の湿度、各人が1日に1リットルの水を吐き出す）、最初に空気を乾燥させます。 クールダウン。 ゼオライトの入ったチャンバーで提供されます。







このようなカメラは2台（アメリカのシステム）、または3台（ロシアのシステム）です。 しばらくの間、チャンバーの1つが二酸化炭素を吸収し、次に空気の流れが2番目のチャンバーに切り替わります。 このとき、最初の内部に真空が導入され、ゼオライトが加熱されます。 二酸化炭素が出てきます。 これは1サイクルです。 これで再び空気清浄に最初のチャンバーを使用し、2番目のチャンバーを真空での風化に使用できます。



理想的には、ISS大気から二酸化炭素のみを取り出します。 これは取り返しのつかない損失です（このガスを船外に送ります）-しかし、キャットトレイやチェッカーシステムとは異なり、吸着剤自体は繰り返し使用されます。 （もちろん、酸素生産における電気分解の副産物として水素を船外に投げ続けます。）



質問：二酸化炭素が船外に投げ出された場合、残念でしたか？ 彼は3分の2以上の酸素です！

ジェネレーション2.5-実験的、失敗

彼らはミールのためのシステムを開発しようとしましたが、それから良いものは何もありませんでした。



一方では、ソビエトのエンジニアの勇気に敬意を表さなければなりません。 システムが機能した場合、酸素のサイクルが完全に閉じられます。



一方で、古典的な「赤ちゃん、あなたは破裂しますか」を思い出さずにはいられません。おそらく、努力がそれほど野心的ではないタスクに向けられていた場合（最初から、アメリカ人は、 ）、ソビエトのエンジニアはそれを完全に解決し、第3世代のシステムは30年間正常に使用されていました。



アイデアは何ですか。 二酸化炭素を酸素に変えるには、いわゆるボッシュ反応を使用できます。二酸化炭素を水素と混合し、高温で二酸化炭素を最初に一酸化炭素に還元し、次に一酸化炭素が触媒上の原子炭素に崩壊します。 それは水（蒸気）、および堆積物の形の炭素が判明します：



CO ₂ + 2H ₂ →C + 2H ₂ O



すでに説明から、反応は目に見えており、主な難しさは次のとおりです。反応は、グラファイトのコーティングで覆われた触媒上で行われます。 そして何をすべきか？



第一に、洗浄は難しく、費用がかかります（スペースの意味で費用がかかります：追加の機器と消耗品が必要です-そして、有用な質量の費用は貯蔵された酸素の増加以上です）。



第二に、これらのクリーニングは非常に頻繁に行う必要があります-キャリッジに3個ある場合、1日に1 kgのグラファイトが触媒上に沈殿します。

III世代-フレッシュ

当初から、アメリカ人はボッシュの反応ではなく、サバティエの反応をすることを決めました。 反応には高温だけでなく高圧も必要とされるため、しばしばサバティエ反応器と呼ばれます。



反応は触媒上で進行し、水素が二酸化炭素に追加されます。つまり、試薬はボッシュ反応に似ていますが、反応の収率は異なります。



CO ₂ + 4H ₂ →CH ₄ + 2H ₂ O



水とメタン。



ボッシュに対するサバティエの技術的な利点は、すべての製品がガス状であり、さらに簡単に作業できることです。 現在ISSに配信されたバージョンでは、メタンが単に排出されます（第2世代のシステムのように、二酸化炭素が排出されます）。

しかし、マイナスがあります。 ステーションで新しい酸素がどこから来るかを思い出してください。 水の分解。

酸素がビジネスに参入し、水素（第2世代システム）が単に船外に投げ出されます。 今、私たちはこの水素をサバティエ反応器に送ることで、この水素を使用することができます（そして、そうする必要があります！



そして、ここにニュアンスがあります。 水には、酸素原子あたり2つの水素原子があります。 また、サバティエ反応では、酸素原子ごとに4個の水素原子が必要です（2個が酸素結合を炭素に置き換え、さらに2個の水素がこの脱離した酸素に成形されて水を形成します）。



したがって、水の電気分解とSabatierリアクターのみに依存している場合、酸素サイクルは50％しか閉じることができません。 CO _2の半分はリサイクルできますが、残りの部分にはすでに水素がありません。







（この時点で少し圧倒されても、落胆しないでください。ESAWebサイトの最初のプレスリリースのコンパイラでさえ、何が起こっているのかすぐに気付かず、最初は間違ったフローチャートを描き、触媒の非効率性をすべて非難しました。）



現実には、もちろんこれまでのところ、理論上の50％ではなく、約40％未満であることが判明しています。 記事の冒頭では、革新的な要素であるSabatierリアクターのみが示されています-ブロック笑いでは、緑色の矢印の周りにあります。



システム全体は、アメリカ人が以前持っていたもののように、はるかに大きくなっています。 科学的ラックの全量、半トン。

第4世代の展望-第3世代の開発？

すぐに問題が発生します。追加の水素を使用しないのはなぜですか。 電気分解に使用する水に加えてISSに届けられますか？



実際に。 真空に放出する必要があるCO ₂の部分を考慮してください。 12質量の炭素ごとに、32質量の酸素を失います。 そして、不足している水素をリアクターに追加し、CH ₄の炭素を結合すると、酸素はステーションに残り、排気では4つの質量の水素のみが失われます。 体重増加は32です：4 = 8回。 水素1 kgは酸素8 kgも節約できます！



問題は、水素は水ではないということです。 水を輸送するために通常のコンテナを使用することが可能です。 簡単にするために、配送された水の重量の1/10の容器を入れます。



少なくとも圧縮され、少なくとも液化された水素の場合、逆のことが言えます。風袋質量とそれに含まれる水素の質量の比は、約10/1です。



ISSに1キログラムの水素を届けることはできません。 コンテナを10キログラム調達する必要があります。



途中でセキュリティ上の問題を解決する必要があることは言うまでもありません：水素の貯蔵中、バルブで定期的な漏れがあり（ガスとして配送される場合）、内部で低温を維持する必要があるため、コンテナで同様の排出があります（液化される場合）。 危険に加えて、これらの漏れは在庫の長期保管も不可能にします。 硬化した水素は、すぐに使用するか、取り返しのつかないほど失わなければなりません。



その結果、サバティエ原子炉用の追加の水素ではなく、電気分解用の追加の水をISSに提供することがより簡単（かつ経済的）になることがわかりました。 そして、半閉鎖サイクルで作業し、過剰な二酸化炭素を真空に排出します。

第4世代の展望-第2世代の別の開発

酸素のためだけにシステムを閉じるという問題でしたが。 炭素は、食物から必然的に（人々の呼吸を通して）システムに入る無用の要素と見なされていました。 私たちは、空気再生サイクルに絶えず導入される食品の大量コストを考慮しませんでした。



しかし、まだ炭素を節約しようとするとどうなりますか？ 炭素をメタンではなく炭水化物に結合させて二酸化炭素から酸素を抽出したらどうなるでしょうか？



炭水化物は、構成元素の数だけを見ると、炭素と水のほぼ等しい混合物です。



参加者の原子質量を思い出してください：水素-1、炭素-12、酸素-16。



真空に放出される物質の質量の観点から、考慮された炭素結合の方法の有効性を比較しましょう（これは、地上からステーションに持ち上げる必要があります！）：

1. すべてのCH _4を船外に投棄するとき（および水素も電解から送られます）、炭素原子ごとに2つの水分子、つまり、炭素1質量、水3質量が失われます。
2. サバティエ反応（水素不足のため）では、各炭素原子の水分子が失われます。つまり、炭素1質量、水1.5質量
3. 炭水化物に変換されると、炭素原子ごとに水分子、つまり1質量の炭素、1.5質量の水が消費されます。

ご覧のとおり、電気分解+サバティエサイクルの効率は、電気分解+炭水化物サイクルと同じです。



しかし！ サバティエの反応では、この物質をステーションから廃棄し、取り返しのつかないほど失います。 そして炭水化物-あなたはそれらを食物に適したものにしようとすることができますか？



宇宙飛行士の食物には、炭水化物（簡単にするために400グラム）だけでなく、脂肪（100グラム）とタンパク質（100グラム）も含める必要があります。 このため、酸素と栄養のサイクルを閉じて、二酸化炭素から炭水化物だけを作ることはうまくいきません。 しかし、製品の少なくとも炭水化物部分を交換するには？ 乾燥組成の場合、これは2/3です。



その後、最終的なバランスが変わります。



-一方では、サバティエを介したサイクルに比べて水の消費量を3倍削減します（560 gから165、これは食べたタンパク質や脂肪に由来する炭素の炭水化物結合で110 g、理論的にはこれらの165グラムでも）水は消し去ることができず、船上に砂糖を保存することはできませんが、サイクルの需要がなくなるだけで、純粋な炭水化物の供給が蓄積されます）、



-さらに、食物消費量（乾燥組成）は、1人あたり1日あたり400グラム未満になります（炭水化物の食物サイクルを閉じました）。



合計で、ゲインは1人あたり1日あたり約700 gです。

期待すること

要約すると、NASA、ESAは、以前の再生システムに戻る見通しを（サバティエ反応器のない吸着器を介して）見ます-今だけ、吸着剤を降ろすとき、開いた真空ではなく実験室のものを使用してください。 二酸化炭素をポンプで排出して保管し、炭水化物を生成するために閉じた真空チャンバー。

そして、単なる些細な問題が残っています。二酸化炭素を炭水化物に変換する方法は？

1. これは純粋に化学的に行うことができます。 しかし、それは難しいです。 単純なものであれば、プランテーションからではなく、建物から発電所へと砂糖とバイオフィードを長く輸送していたでしょう。
2. 光合成を介してこれを生物学的に行うことはできますが、ここですべてがスムーズであるとは限りません。

ここでは、代理店の計画が実際に分岐したか、リーダーがすべての卵を1つのバスケットに入れるのではなく、健全な競争でプレーすることにしました。 （これは常に良い選択肢です。特に、目の前でサバティエとボッシュの反応と競合する経験がある場合です。一方は離陸し、他方は離陸しません。）



NASAは、純粋に化学的な方法で砂糖を生産することを提案する100万回目の賞を受賞したコンテストを発表します。



ESAは、来年、ISSの藻類タンクを引き上げ、サバティエ原子炉にとって不要な二酸化炭素を供給します。

そして、二酸化炭素から炭水化物が何も得られない場合はどうなりますか？

メタンと水から炭水化物と水素を作ることもできます。 NASAは、1石で2羽の鳥を捕まえるための出発点として二酸化炭素を選択しました。このソリューションは、飛行中の再生サイクルを閉じるだけでなく、CO ₂がある火星の大気中での物質の活発な成長にも役立ちます。 そして、ここで、地球上で、それは役に立つでしょう。



しかし、最も可能性が高いのは、Sabatier原子炉を備えた回路が最も効果的なままであり、有人宇宙技術の実際の進歩が何十年も続くことを考えるとです。



比較表

世代	CO 2除去方法	損失1 （/人/日）	通常のシステムとして	予備として /追加。
	吹く	50 kg O 2-圧縮2		宇宙服
私は	LiOHのチェッカー	1.1 kgの水 ドラフト1.5 kg	宇宙服 配送（「ユニオン」、将来のアメリカ、 過去のシャトル）	ISS
II	モレキュラーシーブ 真空蒸着	1.1 kgの水	ISS （以前のミール、 Skylab-初めて）
III	モレキュラーシーブ グラファイトへの分解	0 3	（実験的、 失敗した） 「世界」のために
III	モレキュラーシーブ、 CH 4で 50％	0.6 kgの水	ISS（米国セグメント）
？	モレキュラーシーブ 砂糖で	0.2 kgの水4 / 0.2 kgの水 5の 増加

¹理想的です。

²パッケージを除く。

³触媒クリーニング/交換用消耗品を除く。

⁴炭水化物の食物サイクルと組み合わせると、 ⁵同時に、食物サイクルは炭水化物によって閉じられます。つまり、0.4 kg少ない質量消費量（食物中の炭水化物の乾燥重量）があります。これは、空気サイクルでの水の損失（総損失とは別に損失を考慮する場合）より多く、有用な質量の増加として解釈することができます（炭水化物が地面から食物循環に入る状況と比較した場合）。

上記で言及しなかったものですが、完全性を理解するために役立ちます。

呼吸サイクルの再生中の損失に加えて（現代のシステムでは、これは、見られるように、いくらかの水分損失に減少します）、人に関連する他のサイクルで質量損失があります。



まず第一に、それはトイレのサイクルです。 このサイクルを閉じようとするシステムがISSで最大限に使用されている場合でも、これらのシステムの有効性は制限されています。数キログラムの水と食物から、80％の水をサイクルに戻すことができます。 つまり、1日1人あたり最大1 kgの損失です。 （これは、食品が入っている容器をカウントしていません。すべてがバッグで凍結乾燥されているわけではありません。普通の缶があります。）



したがって、トイレサイクルの損失が減少するまで、CO ₂再生システムをさらに改善しようとして絶対に素晴らしい努力をすることは意味がありません。



したがって、NASAが設定する本当の目標は、システムの閉鎖を現在の40％から75％にすることです。



しかし、これらのサイクルの両方がゼロに近い、またはほぼゼロになったとしても、それだけではありません。 これは、人が酸素と水で閉じたサイクルで完全に働くことができるということをまったく意味しません 。



宇宙へのあらゆる出口は、必然的に水の損失です。 スーツを冷やすために使用されます。 一見、宇宙服自体と生命維持システムの「バックパック」の両方が断熱材で完全に覆われているように見えるかもしれませんが、ありません。 宇宙飛行士のお尻の下で終わる「バックパック」の下端は覆われていません。 これはクーラーのラジエーターであり、外部回路の水が蒸発のために供給される細孔のラジエーターです。 1つの出口では、期間に応じて、出口の参加者ごとに1〜2 kgが失われます。