Когда вы отправляетесь в поход, вам, возможно, придётся взять с собой еду и что-то для фильтрации или очистки воды, которую вы найдёте. Но представьте, что ваш лагерь находится в космосе, где нет воды, и что канистры с водой будут занимать место, когда важен каждый сантиметр грузового отсека. Это ключевая проблема, с которой столкнулись инженеры при проектировании Международной космической станции. До того, как была доставлена, собрана и запущена усовершенствованная система регенерации воды, она составляла значимую часть полезной нагрузки шаттлов, отправлявшихся на МКС.
Сегодня на станции восстанавливается более 90% воды, используемой в космосе. Чистая вода обеспечивает экипаж жидкостью для нужд гигиены и питания, используя ее для регидратации пищи. Восстановление использованной воды - краеугольный камень замкнутой системы жизнеобеспечения, которая необходима для будущих лунных баз, миссий на Марс и даже потенциальных космических поселений.
Система экологического контроля и жизнеобеспечения МКС - это комплекс оборудования и процессов, которые выполняют несколько функций по контролю качества воздуха и воды, утилизации отходов, поддержанию атмосферного давления и обеспечению систем экстренного реагирования, таких как обнаружение и тушение пожаров. Система регенерации воды — один из компонентов системы экологического контроля и жизнеобеспечения, которая поддерживает жизнедеятельность космонавтов и астронавтов на борту МКС и играет ключевую роль в рециркуляции воды.
В условиях микрогравитации, любая доступная вода представляет ценность. Системы регенерации воды на МКС собирают воду из нескольких источников, в том числе из мочи, влаги в воздухе кабины и в результате гигиенических процедур, например, чистки зубов.
На Земле сточные воды включают в себя различные типы воды: бытовые сточные воды из раковин, душевых и туалетов; промышленные сточные воды с заводов и из производственных процессов; а также сельскохозяйственные стоки, содержащие удобрения и пестициды.
В космосе сточные воды астронавтов гораздо более концентрированные, чем на Земле. В них значительно выше содержание мочевины - соединения, содержащегося в моче, — солей и поверхностно-активных веществ, содержащихся в мыле и материалах, используемых для гигиены. Чтобы вода была пригодна для питья, система должна быстро и эффективно удалять все эти вещества.
Системы регенерации воды, используемые в космосе, работают по тем же принципам, что и системы очистки воды на Земле. Однако они специально разработаны для работы в условиях микрогравитации и требуют минимального обслуживания. Эти системы также должны работать годами без необходимости замены деталей или ручного вмешательства.
Данный комплекс способен улавливать и перерабатывать почти все виды воды, которые используются или образуются на борту космической станции. Собранные сточные воды направляются в систему, называемую водоочистным агрегатом, где они очищаются и превращаются в безопасную питьевую воду, которая превосходит многие стандарты питьевой воды на Земле. Система регенерации и очистки воды на МКС состоит из нескольких подсистем.
Во-первых, восстановление воды из мочи и пота. Установка для переработки мочи извлекает около 75% воды из мочи с помощью нагрева и вакуумного сжатия. Извлечённая вода отправляется в установку для переработки воды для дальнейшей обработки. Оставшаяся жидкость, называемая рассолом, всё ещё содержит значительное количество воды. Поэтому была создана установка по переработке рассола, чтобы извлечь из него последнюю порцию воды.
В узле обработки рассола тёплый сухой воздух испаряет воду из остатков рассола. Фильтр отделяет загрязнения от водяного пара, который собирается и превращается в питьевую воду. Благодаря этому нововведению общая эффективность системы регенерации воды достигла 98%. Оставшиеся 2% смешиваются с другими отходами.
Система регенерации воздуха конденсирует влагу из воздуха в салоне - в основном водяной пар, образующийся при потоотделении и дыхании, - в жидкую воду. Она направляет собранную воду в блок обработки воды, который очищает всю собранную воду.
Во-вторых, обработка восстановленной воды. Процесс очистки происходит в блоке обработки воды, который включает в себя несколько этапов. Сначала вся очищенная вода проходит через фильтры, которые удаляют взвешенные частицы, например, пыль. Затем с помощью ряда фильтров удаляются соли и некоторые органические загрязнители, после чего происходит химический процесс, называемый каталитическим окислением, при котором с помощью тепла и кислорода расщепляются оставшиеся органические соединения. На последнем этапе в воду добавляется йод, чтобы предотвратить рост микроорганизмов во время хранения. На выходе получается питьевая вода.
По оценкам специалистов, чтобы полёты людей на Марс стали возможными, космический корабль должен восстанавливать не менее 98% воды, используемой на борту. И эта цель уже практически достигнута на МКС. Однако для разработки компактной системы, которую можно использовать на космическом корабле, требуется дополнительная работа.
Путешествие на Марс – сложная задача не только из-за большого расстояния, но и потому, что Марс и Земля постоянно движутся по своим орбитам вокруг Солнца. Расстояние между двумя планетами меняется в зависимости от их положения. В среднем оно составляет около 225 миллионов километров, а при кратчайшем теоретическом сближении, когда орбиты двух планет пересекаются, расстояние между ними составляет 54,6 миллиона километров.
Типичная пилотируемая миссия полета к «красной» планете займет около девяти месяцев в одну сторону. Полёт на Марс и обратно, включая операции на поверхности и планирование траектории возвращения, продлиться около трёх лет. Кроме того, окна для запуска открываются только раз в 26 месяцев, когда Земля и Марс находятся на одной линии. И пока человечество только готовится отправиться в многолетнюю экспедицию, космические агентства по всему миру продолжают работать над улучшением двигателей и совершенствованием систем жизнеобеспечения. Достижения в области систем с замкнутым циклом, роботизированной поддержки и автономных операций приближают мечту о высадке людей на Марс.