Большая Советская Энциклопедия (ЖИ) - Большая Советская Энциклопедия "БСЭ" (лучшие бесплатные книги TXT) 📗
Принципиальная возможность регенерации всех необходимых для жизнедеятельности человека веществ основана на том, что организм выделяет в составе продуктов жизнедеятельности все те химические элементы, которые он получил в виде пищи и воды, а также поглощённый при дыхании кислород. Т. о., практически создаётся замкнутый круговорот необходимых веществ. Регенерация пищевых веществ (из углерода углекислого газа, воды, минеральных элементов мочи и кала) может быть, в принципе, осуществлена при использовании способных к фото- или хемосинтезу автотрофных организмов. Ведутся также поисковые исследования по искусственному синтезу пищевых углеводов из углекислого газа и воды.
При расчётах СЖО исходят из потребности человека в пище, воде и кислороде, а также из количества выводимых продуктов жизнедеятельности, что вместе составляет материальный баланс обмена веществ в организме человека (см. табл. 1). Помимо этого, в СЖО предусматривается запас воды для туалета, количество которой при нерегенеративных системах и кратковременных полётах около 100 г/чел-сут; при длительных полётах это количество увеличивается до 2—2,5 кг/чел-сут. Вода составляет (в зависимости от количества её для туалетных надобностей) 60—80% от массы запасаемых веществ. Поэтому регенеративные системы водообеспечения делают весовой баланс СЖО ниже, чем СЖО с нерегенеративными системами (пропорционально числу членов экипажа и длительности полёта). Исходя из этого, при расчётах СЖО материальный баланс измеряется в чел-сут.
Табл. 1. — Примерный материальный баланс обмена веществ человека
| Потребление, г/чел-сут | Выделение, г/чел-сут | ||
| Пища | 500 | Углекислый газ | 930 |
| Кислород | 800 | Водяные пары | 840 |
| Воды | 2200 | Моча | 1500 |
| Кал | 230 | ||
| Итого | 3500 | Итого | 3500 |
Разнообразием принципиальных подходов и решений отличается система обеспечения кислородом (см. табл. 2). Приведённые в таблице методы регенерации кислорода являются лишь наиболее разработанными и не исчерпывают возможных технологических принципов регенерации. Методика и аппаратура для регенерации кислорода электролизом воды позволяет обеспечить газообмен человека с помощью установки, которая весит около 30 кг, при электрической мощности около 10 вт на 1 л кислорода. Биологическая регенерация кислорода может быть осуществлена фотосинтезирующими одноклеточными водорослями, из которых наиболее изучена хлорелла. В лабораторных экспериментах длительностью до 60 сут показана возможность обеспечения газообмена человека при объёме культуры водорослей порядка 20—30 л на человека и затрате минеральных солей около 50 г/чел-сут. Такая система одновременно обеспечивает и поглощение выделяемого человеком углекислого газа. В более сложных вариантах фотосинтетической регенеративной системы расход минеральных солей может быть в несколько раз уменьшен в связи с использованием минеральных элементов мочи. В этом случае одновременно обеспечивается наиболее энергоёмкий этап регенерации воды из мочи — испарение. Кроме того, часть биомассы водорослей может быть использована в пищевом рационе человека (до 20% белковой части рациона). Применение хемосинтетических газообменников на основе водородокисляющих бактерий целесообразно при наличии электролизной системы, когда получаемый в ней водород не утилизируется для гидрирования углекислого газа, окиси углерода или метана в приведённых физико-химических процессах. Помимо компенсации убыли кислорода, для поддержания состава атмосферы корабля необходимо также удалять избыток углекислого газа и водяных паров. Двуокись углерода может быть удалена физическими методами (вымораживание, конденсация) и применением щелочных химических поглотителей. Более экономично использовать регенерируемые сорбенты (цеолиты, карбонаты). Попеременная работа двух патронов с цеолитом в режиме «сорбция-десорбция» обеспечивает поглощение углекислого газа, выделяемого 2 членами экипажа при массе установки около 40 кг.
Табл. 2. — Основные технологические принципы систем регенерации кислорода,
| Нерегенеративные системы | |||
| физические | физико-химические | химические | |
| Формы запасае- мого кислорода | Молекуляр- ный кислород: газообразный, жидкий | Химически связанный в форме воды | Химически связанный в составе: перекисей, надперекисей и озонидов щелочных металлов, перхлоратов, перекиси водорода |
| Способы мобили- зации запаса | Ступенчатая редукция газа высокого давления: испарения сжиженного газа и редукция | Электролиз воды (свободной или связанной фосфорным ангидридом) | Химическое разложение кислородных соединений металлов при поглощении ими воды и углекислоты , каталитическое разложение перекиси водорода |
| Источники энергии | Внутренняя энергия сжатого или сжиженного газа | Внешние источники энергии | Энергия экзотермических реакций |
| Регенеративные системы | |||
| Физико-химические | Биологические | ||
| Источники кислорода | Углекислый газ и вода, выделяемые человеком как продукты окисления пищевых веществ | Углекислый газ и вода, выделяемые человеком как продукты окисления пищевых веществ | |
| Методы регенера- ции | Электролиз воды: прямое восстановление углекислого газа водородом до углерода и воды с последующим электролизом воды, восстановление углекислого газа водородом до метана (или окиси углерода) и воды с последующим электролизом воды | Фотосинтез зеленых растений, хемосинтез автотрофных бактерий (напр., водородоокисляющих) | |
| Форма потребляе- мой энергии | Тепловая, электрическая | Для фотосинтеза – световая, для хемосинтеза – электрическая (для получения водорода) |
Избыток водяных паров из воздуха может удаляться с помощью нерегенерируемых химических поглотителей, регенерируемых сорбентов (цеолиты), а также физическими методами — вымораживанием и конденсацией. В существующих космических кораблях часть водяных паров конденсируется на холодных поверхностях жидкостно-воздушных теплообменников, входящих в систему терморегулирования обитаемых кабин.
Частные СЖО — регенерации кислорода, удаления углекислого газа и воды — составляют единый комплекс обеспечения состава атмосферы корабля. Иногда к этой системе относят также систему терморегулирования и фильтры очистки воздуха от вредных примесей. Функции этих систем могут выполняться отдельными независимыми устройствами. Так, в частности, была решена СЖО атмосферы в американских кораблях «Меркурий», «Джемини» и «Аполлон», основанная на запасах кислорода, нерегенерируемых поглотителей углекислого газа и водяных паров. Химические системы обеспечивают сопряженность рассматриваемых процессов в пределах одной системы. Именно такое решение было использовано в сов. кораблях «Восток», «Восход» и «Союз», где применялась нерегенеративная система на основе надперекиси щелочного металла. Выделение кислорода регенеративным веществом связано с вполне определёнными количествами поглощаемой воды и углекислого газа (рис.).
Система водообеспечения основывается на запасах воды. В космическом корабле «Аполлон» питьевая вода вырабатывалась также из запасов кислорода и водорода, «сжигавшегося» в электрохимических генераторах (топливных элементах) для получения электроэнергии. Разработаны различные физико-химические методы регенерации воды из конденсата мочи и атмосферной влаги. Конденсат атмосферных паров достаточно эффективно очищается от неизбежных органических примесей каталитическим окислением, а также с помощью ионообменных смол и углей. В наиболее разработанных методах регенерации воды из мочи используются режимы испарения при различных давлении и температуре, с последующим каталитическим окислением загрязняющих примесей в паровой фазе и очисткой получаемого конденсата сорбентами. Данные методы позволяют регенерировать большую часть потребляемой воды, а при дальнейшем их совершенствовании — добиться практически замкнутого цикла её регенерации.
