На Земле у нас есть постоянный приток свежего воздуха. Мы вдыхаем кислород и выдыхаем углекислый газ. Эти газы перерабатываются растениями в процессе фотосинтеза. Растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Это замечательный цикл в огромном масштабе. Но что происходит в крошечных тесных кабинах космических кораблей, таких как космические челноки или космические станции?
Большинство космических кораблей несут с собой собственный запас кислорода и могут иметь одну резервную систему. Однако полеты этих космических кораблей длятся недолго, от нескольких дней до двух недель. Напротив, Международная космическая станция (МКС) была разработана для длительных космических полетов и находится на орбите с 1998 года. Так как же производится кислород на борту МКС? Это можно сделать одним из трех способов: с помощью генераторов кислорода, баллонов с кислородом под давлением или генераторов кислорода на твердом топливе (также называемых кислородными свечами).
Основной метод осуществляется с помощью генераторов кислорода: российского производства «Электрон» и американской системы экологического контроля и жизнеобеспечения (ECLSS). «Электрон» находится в служебном модуле («Звезда»), а ECLSS - в лабораторном модуле «Destiny». Эти устройства производят кислород из воды с помощью процесса, называемого электролизом, во время которого электрический ток проходит через воду от одного положительно заряженного электрода, называемого анодом, к другому отрицательно заряженному электроду, называемому катодом. В воде есть небольшая концентрация соли, которая проводит электричество, потому что вода сама по себе является плохим проводником электричества. В процессе вода разделяется на газообразный водород и газообразный кислород. Вот как работает химия процесса:
- На катоде происходит тип реакции, называемыйвосстановление. Электроны (e-) с катода объединяются с водой (H2O), образуя газообразный водород (H2) и гидроксид-ионы (OH-): 2H2O (l) + 2e-->H2(g) + 2 OH- (aq).
- На аноде происходит реакция, называемаяокислением. Электроны удаляются из воды и перетекают в анод. Удаление электронов из воды дает газообразный кислород (O2) и ионы водорода (H+): 2H2O (l) ->O2(g) + 4 e-+ 4 H+
Электричество вырабатывается солнечными панелями станции и подается на кислородные генераторы через электросеть станции. Вода доставляется на станцию с Земли кораблями снабжения «Прогресс» и космическим челноком. Вода также регенерируется конденсаторами, которые удаляют водяной пар из воздуха кабины (астронавты выдыхают водяной пар). Наконец, установка ECLSS может перерабатывать воду из мочи астронавтов. Газообразный водород, полученный в процессе электролиза, выбрасывается в космос, а газообразный кислород циркулирует в воздухе салона.
Теперь давайте посмотрим на другие способы, которыми МКС производит кислород.
Создание кислорода на борту МКС
Как вы теперь знаете, получение кислорода на борту Международной космической станции (МКС) осуществляется одним из трех способов: с помощью генераторов кислорода, баллонов с кислородом под давлением или генераторов кислорода на твердом топливе. На предыдущей странице мы говорили о генераторах кислорода. Теперь поговорим о двух других методах.
При втором способе кислород не производится, а доставляется на МКС с Земли. Когда корабли снабжения «Прогресс», европейские автоматизированные транспортные средства или американские космические челноки пристыковываются к станции, они закачивают кислород в герметичные резервуары в узлах шлюза. Они также закачивают газообразный азот в другие резервуары под давлением в этих шлюзах. Атмосферный контроль станции смешивает газы в правильных пропорциях с земной атмосферой и циркулирует смесь по кабине.
Третий метод - это резервная система, которая производит кислород посредством химических реакций. Система называется твердотопливным генератором кислорода (ТПК) и находится в служебном модуле станции («Звезда»). SFOG, который также называюткислородными свечамиилихлоратными свечами, имеет канистры, содержащие смесь порошкообразного хлората натрия (NaClO). 3) и порошок железа (Fe). Когда SFOG воспламеняется, железо «сгорает» при температуре 1112 градусов по Фаренгейту (600 градусов по Цельсию), что обеспечивает тепловую энергию, необходимую для реакции. Хлорат натрия распадается на хлорид натрия (поваренная соль - NaCl) и газообразный кислород (O2). Часть кислорода соединяется с железом с образованием оксида железа (FeO):
600°C
NaClO3(т) + Fe (т) ->3O2 (г) + NaCl (т) + FeO (с)
SFOG поставляет 6,5 человеко-часов кислорода на килограмм смеси. Российские скафандры тоже производят кислород с помощью SFOG.
В будущих космических станциях или космических колониях ученые НАСА надеются создавать кислород и устранять углекислый газ естественным путем, выращивая растения. Растения будут поставлять пригодный для дыхания воздух и служить источником пищи для астронавтов. Одна проблема, которую необходимо решить, заключается в том, как выращивать большое количество растений в небольших помещениях - жизненное пространство на борту космической станции ограничено.
Часто задаваемые вопросы о кислороде в космосе
Как космонавты дышат в космосе?
На борту МКС кислород производится одним из следующих способов: кислородные генераторы, баллоны с кислородом под давлением или генераторы кислорода на твердом топливе (также называемые кислородными свечами).
Может ли кислород образоваться в космосе?
Да, кислород можно создавать на борту МКС с помощью кислородных генераторов, кислородных баллонов под давлением или твердотопливных генераторов кислорода (кислородных свечей). Первый метод создает кислород с помощью электролиза, в результате чего вода расщепляется на водород и газообразный кислород. Первый выпускается в космос, а второй циркулирует внутри салона. Второй способ предполагает доставку кислорода с Земли. Когда корабли снабжения, автоматизированные транспортные средства или космические челноки пристыковываются к МКС, кислород закачивается в баллоны под давлением, которые затем циркулируют внутри кабины. Третий метод основан на химических реакциях, которые расщепляют хлорат натрия на хлорид натрия и газообразный кислород.
Как МКС вырабатывает кислород?
Большая часть кислорода на борту МКС создается в результате электролиза. В этом процессе используется электричество от солнечных батарей МКС для получения водорода и кислорода из воды.