Mezinárodní kosmická stanice (ISS) - obyvatelná umělá satelitní obíhající obíhající Zemi v nadmořské výšce ~ 400 kilometrů - se spoléhá na sofistikovaný, uzavřený - smyčka kyslíku pro udržení 7 astronautů (maximální kapacity) po dobu několika měsíců. Na rozdíl od Země, kde je kyslík v atmosféře hojný, je prostor vakuum bez přirozeného zdroje kyslíku. To znamená, že ISS musí vyrábět, ukládat, distribuovat a recyklovat kyslík zcela na desce - a zároveň řídit odpadní plyny, jako je oxid uhličitý (CO₂). Konstrukce systému upřednostňuje spolehlivost (aby se zabránilo životu - ohrožující selhání), účinnost (pro minimalizaci misí doplňování) a přizpůsobivost (zvládnout změny velikosti posádky a poruchy vybavení). Níže je komplexní rozpis systému kyslíku ISS, včetně jeho základních komponent, pracovních principů, výzev a protokolů zálohování.
1. Udržování obyvatelné atmosféry
Předtím, než se ponoříte do technických detailů, je důležité pochopit primární cíl systému kyslíku ISS: udržování atmosféry, která napodobuje Zemi co nejblíže. Pro přežití člověka vyžaduje ISS:
Koncentrace kyslíku: 21% (stejné jako zemská atmosféra), což je optimální úroveň pro dýchání a zabránění hypoxii (nízká kyslík) nebo kyslíkovou toxicitu (vysoký kyslík).
Tlak: 101,3 kilopascals (KPA) nebo 1 atmosféra (ATM) - ekvivalent k moře - úroveň tlaku na Zemi. To zabraňuje dekompresní nemoci (riziko, když tlak klesne příliš nízko) a umožňuje astronautům normálně dýchat bez specializovaného vybavení (s výjimkou během kosmických chorob).
Plynující plyn: Odstranění odpadních plynů, jako je CO₂ (produkované dýcháním) a stopovací kontaminanty (např. Těkavé organické sloučeniny ze zařízení nebo potravin).
K dosažení tohoto cíle funguje kyslíkový systém ISS jako aSemi - Uzavřená smyčka- Vytváří nový kyslík, recykluje kyslík z proudů odpadu, ukládá přebytek kyslíku pro mimořádné události a rovnoměrně jej distribuuje v modulech stanice.
2. Systém generování kyslíku (OGS)
Hlavním zdrojem kyslíku ISS je hlavní zdroj ISSSystém generování kyslíku (OGS), modulární nastavení vyvinuté společností NASA a Ruska Roscosmos (s příspěvky Evropské kosmické agentury, ESA a Japan Aerospace Exploration Agency, Jaxa). OGS používáelektrolýza- Stejný chemický proces použitý v některých zemích - založený na kyslíkových generátorech - pro rozdělení vody (H₂o) do kyslíku (O₂) a vodíku (H₂). Zde je podrobné rozdělení jeho komponent a provozu:
2.1 Komponenty OGS
OGS se skládá ze tří klíčových subsystémů, z nichž každá má specializovaný hardware:
Sestava zpracování vody (WPA): Před elektrolýzou musí být voda čištěna, aby se odstranily kontaminanty (např. Soli, organická hmota), které by mohly poškodit elektrody OGS. WPA shromažďuje vodu ze tří zdrojů:
Recyklovaná voda: Kondenzát ze vzduchu stanice (vodní pára z dýchání a pocení), zpracování odpadních vod (např. Z dřezů, sprch) a moči (zpracované sestavou zpracování moči, UPA).
Zásobová voda: Voda dodávaná prostřednictvím kosmické lodi nákladu (např. Spacex's Dragon, Northrop Grumman's Cygnus) jako záloha pro selhání recyklačních systémů.
Voda palivových článků: Vedlejší produkt bývalých palivových článků stanice (používaný k výrobě elektřiny před instalací solárních polí). Zatímco palivové články již nejsou primární zdroje energie, jejich zbytková voda se stále používá, pokud je k dispozici.
Elektrolýzní modul (EM): Srdce OGS, EM obsahuje dvaElektrolýza oxidu pevných oxidů (SOEC)- Pokročilá zařízení, která používají vysoké teploty (600–800 stupňů) k rozdělení vody na kyslík a vodík. Na rozdíl od tradičních elektrolytických systémů (které používají kapalné elektrolyty), SOEC používají pevný keramický elektrolyt, který je v prostoru účinnější, kompaktnější a odolnější. Zde je způsob, jak tento proces funguje:
Purifikovaná voda se přivádí do SOEC jako pára (odpařená ke zvýšení účinnosti).
Elektrický proud (ze solárních polí ISS) je aplikován na elektrody SOECS (anoda a katoda).
Na anodě reaguje pára s keramickým elektrolytem za vzniku kyslíkového plynu (O₂), elektronů a vodíkových iontů (H⁺).
Elektrony protékají externím obvodu (generující malé množství další elektřiny), zatímco vodíkové ionty se pohybují elektrolytem na katodu.
Na katodě se vodíkové ionty kombinují s elektrony za vzniku vodíkového plynu (H₂).
Subsystém manipulace s kyslíkem (OHS): Po výrobě je kyslík z EM zpracován a distribuován:
Chlazení: Horký kyslíkový plyn (z SOEC) je ochlazen na teplotu místnosti pomocí výměníků tepla (připojeného k systému tepelného řízení ISS).
Sušení: Jakákoli zbývající vodní pára je odstraněna pomocí molekulárních sír (podobné těm na Zemi - koncentrátorů kyslíku), aby se zabránilo kondenzaci v potrubí stanice.
Rozdělení: Suchý, čistý kyslík (99,999% čistoty) je odesílán do atmosféry ISS prostřednictvím sítě ventilů a potrubí a mísí se stávajícím vzduchem, aby se udržela 21% koncentrace.
Vodíkové odvzdušňování: Byt Produkt vodíku se ISS nepoužívá (protože stanice běží na sluneční energii, nikoli vodíkové palivové články) a je odvzdušňována do vesmíru. Toto je klíčový rozdíl od raných kosmických stanic, jako je MIR, který používal vodík k výrobě elektřiny.
2.2 Účinnost a kapacita OGS
OGS je navržen tak, aby uspokojil denní poptávku po kyslíku ISS, což je ~ 0,84 kilogramů (kg) na astronaut (ekvivalent ~ 588 litrů plynného kyslíku při 1 atm). Pro posádku 7 je to součty ~ 5,88 kg kyslíku denně. Klíčové metriky výkonu OGS zahrnují:
Míra výroby: Každý SOEC může produkovat ~ 0,5 kg kyslíku denně, takže oba SOEC společně generují ~ 1 kg denně. Systém je však provozován v rozloženém režimu (jeden aktivní SOEC, jeden v pohotovostním režimu), aby se snížilo opotřebení, což vede k čisté produkci ~ 0,5 kg denně. To znamená, že samotné OGS nemohou uspokojit poptávku plné posádky - Proto je potřeba dalších zdrojů kyslíku (viz oddíl 3).
Energetická účinnost: SOEC jsou vysoce efektivní a převádějí ~ 80% elektrické energie na kyslík (ve srovnání s ~ 60% pro tradiční elektrolytické systémy). To je kritické, protože solární pole ISS mají omezenou kapacitu (~ 120 kilowattů, KW, energie pro všechny systémy).
Spolehlivost: OGS má životnost designu po 15 letech (prodloužená od původních 10 let) a zahrnuje nadbytečné komponenty (např. Záložní SOEC, ventily), aby se zabránilo selhání. Od své instalace v roce 2008 (v rámci modulu uzlu ISS 3, Tranquility), OGS došlo pouze k drobným problémům (např. Ucpané vodní filtry), které byly vyřešeny vzdáleným odstraňováním problémů.
3. zálohovací a doplňkové systémy
Zatímco OGS je primární zdroj kyslíku, ISS se spoléhá na tři sekundární systémy, aby zajistil nepřetržité napájení - kritický pro to, kdy se OGS nebo během špičkové poptávky (např. Když se velikost posádky dočasně zvyšuje).
3.1 tlakové kyslíkové nádrže (ruský segment)
Ruský segment ISS (RS) -, který zahrnuje moduly jako Zvezda (Service Module) a Nauka (víceúčelový laboratorní modul) - Použitítlakové kyslíkové nádržejako záloha. Tyto tanky jsou:
Design: Cylindrické nádrže vyrobené ze slitiny titanu (odolané vysokému tlaku a kosmickému záření) s kapacitou ~ 40 litrů. Ukládají kyslík jako vysoký - tlakový plyn (3 000 psi, nebo 20,7 MPa) - Stejný typ použitý v Earth - potápění tanků, ale upraveno pro prostor.
Zásobování: Tanky jsou dodávány do ISS prostřednictvím ruské kosmické lodi (např. Progress) a připojeny k externím přístavům RS. Každá mise pro pokrok nese 2–3 tanky a poskytuje ~ 100–150 kg kyslíku na misi (dost na podporu posádky 7 po dobu ~ 20–25 dnů).
Nasazení: Když OGS selže, systém podpory života RS otevírá ventily, aby uvolnil kyslík z nádrží do atmosféry stanice. Nádrže se také používají během kosmických lodí (EVA, extravehikulární aktivita) k dodávce kyslíku do prostorů astronautů.
3.2 Kyslíkové svíčky (generátory chemických kyslíků)
Pro nouzové situace (např. Hlavní selhání OGS v kombinaci se zpožděním v zásobování nákladu), ISS používákyslíkové svíčky- kompaktní, chemické - generátory, které produkují kyslík tepelnou reakcí. Tyto svíčky jsou:
Složení: Každá svíčka je pevným blokem chloridéru sodného (Naclo₃) smíchaného s katalyzátorem (např. Železný prášek) a palivem (např. Hliník). Když se zapálí, chlorát sodný se rozkládá při vysokých teplotách (500–600 stupňů) za vzniku kyslíkového plynu a chloridu sodného (stolní sůl).
Kapacita: Jedna svíčka (vážící ~ 1 kg) produkuje ~ 60 litrů kyslíku (dost na jeden astronaut po dobu ~ 10 hodin). ISS nese ~ 100 svíček uložených v ohniskových kontejnerech v každém modulu (např. Zarya, Unity) pro snadný přístup.
Bezpečnost: Oxygenní svíčky jsou navrženy tak, aby byly bezpečné ve vesmíru - Nevytvářejí otevřené plameny (pouze teplo) a vedlejší produkt chloridu sodného není toxický (je shromažďován ve filtru a později odstraněn během nákladních misí). Používají se však pouze jako poslední možnost kvůli jejich omezené kapacitě a potřebě manuální aktivace.
3.3 Podpora regenerativního života: recyklace kyslíku z CO₂
ISSSystém kontroly životního prostředí a podporu života (ECLSS)Zahrnuje regenerační složku, která recykluje kyslík z CO₂ - snižování potřeby nové produkce kyslíku. To se provádí prostřednictvímSestava odstraňování oxidu uhličitého (CDRA)(Segment USA) aVozdukh systém(Ruský segment):
CDRA (USA segment): Používá se dva - krokový procesDesorpce pevného aminu vodyChcete -li odstranit co₂ a produkovat kyslík:
Co₂ adsorpce: Vzduch z ISS je čerpán ložem pevného aminu (chemická sloučenina, která se váže na CO₂). Aminového pasti CO₂, zatímco čistý vzduch (bez CO₂) je vrácen na stanici.
Desorpce a produkce kyslíku: Když je aminové lože nasycené, je zahřívá se uvolnění zachyceného CO₂. Co₂ pak reaguje s vodíkem (z procesu elektrolýzy OGS) v aSabatier Reactor(další složka ECLSS) za účelem výroby vody (H₂o) a metanu (CH₄). Voda je poté odeslána do OGS, aby byla rozdělena do kyslíku a vodíku, čímž se vytvoří uzavřená smyčka.
Vozdukh System (ruský segment): Používá podobný proces, ale s jinou chemickou látkou (hydroxid lithium, LIOH) absorbuje CO₂. Na rozdíl od CDRA se systém Vozdukh neřeší CO₂ do kyslíku - Místo toho je lioh vyřazen poté, co se stane nasycený (je nahrazen nákladními misemi). Je však jednodušší a spolehlivější než CDRA, což z něj činí cennou zálohu.
Regenerační systém snižuje poptávku po kyslíku ISS o ~ 40%- Kritický zisk účinnosti, který minimalizuje potřebu zásobovacích misí. Například bez recyklace by stanice potřebovala ~ 9,8 kg kyslíku denně pro 7 astronautů; Při recyklaci to klesne na ~ 5,88 kg.
4. Zajištění odolnosti pro mimořádné události
Kromě sekundárních zdrojů má ISS vyhrazeno systémy skladování kyslíku pro zvládnutí špičkové poptávky a mimořádných událostí. Tyto systémy jsou navrženy pro ukládání kyslíku ve dvou formách: vysoký - tlakový plyn a kapalina.
4.1 Vysoká - Skladování tlakového plynu (segment USA)
Americký segmentyVysoké - tlakové plynové nádržejsou umístěny v modulech uzlu 1 (UNITY) a Uzel 3 (Tranquility). Tyto tanky:
Design: Sférické nádrže vyrobené z Inconelu (nikl - chromová slitina odolná vůči korozi a vysokým teplotám) s kapacitou po ~ 150 litrech. Ukládají kyslík na 6 000 psi (41,4 MPa) - Dvakrát tlak nádrží ruského segmentu - umožňující ukládání více kyslíku v menším prostoru.
Kapacita: Každá nádrž drží ~ 100 kg kyslíku (dost na 7 astronautů po dobu ~ 17 dnů). Americký segment má 4 takové tanky a poskytuje celkovou zálohu ~ 400 kg (dost na 68 dní).
Případ použití: Tyto nádrže se používají k doplnění OGS během špičkové poptávky (např. Když jsou dva astronauti na kosmickém chovu, čímž se zvyšuje spotřeba kyslíku o ~ 50%) a jako záloha, pokud OGS selže. Používají se také k potlačení stanice po kosmickém valství (protože nějaký vzduch se ztratí během EVA).
4.2 Kapalný kyslík (LOX) Storage (pouze nouzové)
Pro dlouhé - termín mimořádné události (např. Měsíce - dlouhé selhání OGS), může ISS uložitKapalný kyslík (LOX)- Stejný formulář použitý v raketovém palivu. LOX je uložen v:
Design: Double - zděné nádrže s vakuovou izolační vrstvou, aby se LOX udržel na -183 stupně (jeho bod varu při 1 atm). Nádrže jsou malé (~ 50 litrů) kvůli omezenému prostoru na stanici.
Kapacita: 50-litrový nádrž LOX drží ~ 60 kg kyslíku (protože LOX má hustotu 1,141 kg/l), což je dost po dobu 7 astronautů po dobu ~ 10 dnů. ISS má 2 takové nádrže a poskytuje celkem ~ 120 kg (dost na ~ 20 dní).
Výzvy: Skladování LOX ve vesmíru je obtížné, protože teplota stanice kolísá (z - 120 stupňů ve stínu do 120 stupňů na slunci), což způsobuje, že se nějaký LOX vaří (odpařuje). Pro minimalizaci varu jsou nádrže vybaveny ohřívači, které regulují teplotu, a tlakovým odlevovacím ventilem, který přebytečný plyn přetrvává (který se poté zachytí a používá v atmosféře stanice).
5. Zajištění jednotné dodávky napříč moduly
ISS je složitá síť 16 modulů (od roku 2024), včetně obytných čtvrtí (např. Ubikace posádky), laboratoří (např. Columbus, Kibo) a modulů služeb (např. Zvezda, Nauka). Aby se zajistilo, že každý modul má konzistentní 21% koncentraci kyslíku, stanice používá aCentralizovaný distribuční systéms následujícími komponenty:
5.1 Ventilátory cirkulace vzduchu
Každý modul má 4–6Ventilátory cirkulace vzduchuže se pohybuje vzduchem rychlostí ~ 1 krychlového metru za minutu. Tito fanoušci:
Zabraňte stagnujícím vzduchovým kapsám (což by mohlo vést k nízkým hladinám kyslíku v rozích modulu).
Smíchejte nově vyrobený kyslík s existujícím vzduchem, abyste udrželi koncentraci 21%.
Protlačte vzduch přes systémy CDRA/Vozdukh, abyste odstranili CO₂ a kontaminanty.
Fanoušci jsou kritičtí, protože při mikrogravitaci (beztíže) vzduch není cirkuluje přirozeně (stejně jako na Zemi kvůli konvekci). Bez fanoušků by astronauti mohli zažít hypoxii v oblastech daleko od zdroje kyslíku.
5.2 ventily a potrubí
Síťpotrubí z nerezové oceli(Průměr 2–4 palce) spojuje OGS, skladovací nádrže a moduly. Každá trubka je vybavena:
Solenoidní ventily: Elektricky kontrolované ventily, které se otevírají a blíží k regulaci toku kyslíku. Tyto ventily jsou redundantní (každá potrubí má dva ventily), aby se zabránilo únikům.
Tlakové senzory: Monitorujte tlak v potrubí, abyste zajistili, že odpovídá atmosférickému tlaku stanice (101,3 kPa). Pokud tlak klesá (např. V důsledku úniku), senzory spustí poplach a zavře postižené ventily.
Filtry: Odstraňte prach a zbytky z kyslíku, abyste zabránili poškození ventilátorů a systémů podpory života.
5.3 modul - Specifické regulátory
Každý modul má aregulátor tlakuTo upravuje tok kyslíku do modulu na základě jeho velikosti a obsazenosti. Například:
Malé moduly (např. Častory posádky, které jsou ~ 10 metrů krychlových), vyžadují nižší průtok (~ 0,1 kg kyslíku denně) než velké moduly (např. Columbus Laboratory, která je ~ 75 metrů krychlových, což vyžaduje ~ 0,5 kg denně).
Regulátoři také zajišťují, že tlak modulu zůstane při 101,3 kPa, i když jsou jiné moduly potlačeny (např. Po kosmickém budově).
