alien3 | Цена одной капли — как добыть воду на космическом корабле (Reply)

Марина Волкова, участница нашей команды, написала вторую научно-популярную статью о системах жизнеобеспечения:

Замечаем ли мы, как много воды тратим каждый день? Особенно будучи подключенными к единой системе водопровода и канализации. У большинства городских жителей только во время ремонтных работ есть возможность непосредственно увидеть эти объёмы в баллонах и ведрах.
Но представьте группу людей, оторванных не просто от городской цивилизации — от планеты, у которых кроме некоторого запаса воды с собой больше источников нет. Нет Земли, которая отфильтрует, вернёт с осадками, сохранит лишнее в ледниках. И этот круговорот приходится воспроизвести искусственно — в небольшом объёме космического корабля.

1. Собираем воду из воздуха

В первых космических полётах запасы питьевой воды брали с собой, консервируя от патогенных микроорганизмов с помощью ионов серебра или йода, а атмосферная влага собиралась в системах охлаждения: вентилятор прогонял влажный теплый воздух через теплообменник, на холодных поверхностях которого конденсировалась вода — таким образом поддерживался комфортный по влажности и температуре микроклимат.

Так было до 1975 года, когда на станции «Салют-4» собранный конденсат — а это, между прочим, 2,5 кг с человека в день — впервые попробовали регенерировать: очищать от вредных примесей органической и неорганической природы и обогащать полученный дистиллят минеральными солями. Космонавты Губарев и Гречко использовали такую воду для питья и приготовления пищи. Но насколько безопасно её пить, ведь атмосферный конденсат более концентрирован, чем морская вода? Человек выделяет в атмосферу органические кислоты, спирты, углеводороды, аммиак; загрязняет её и оборудование. Метод перегонки, то есть испарения воды из конденсата, для космической станции не очень подходит: он требует больших затрат энергии на кипячение. Наиболее удобен здесь метод адсорбционной очистки.

Есть примеси диссоциирующие, они распадаются на ионы в воде, например, аммиак, соли металлов — в основном, это неорганические соединения — и для них используются ионообменные смолы. Этот процесс называется хемосорбция: ионообменные смолы химически связывают ионы примесей, выпадая в осадок. Для недиссоциирующих (спирты и другая органика) используется физическая адсорбция активированным углём или каталитическое окисление. На выходе российской Системы регенерации воды из Конденсата атмосферной влаги (СРВ-К), которая давно работает на МКС, установлен сигнализатор проверки воды на электропроводность: если сигнализатор не срабатывает, значит, все ионы поглощены, вода считается пригодной для питья, в противном же случае вода признается технической. Питьевую воду затем кондиционируют: обогащают минеральными солями кальция, магния, натрия, добавляют йод. Получается вода даже лучше привычной земной.

2. Вчерашний кофе становится завтрашним

Но наибольшие трудности в очистке вызывает урина. Это нестабильный высококонцентрированный раствор, масса примесей в котором достигает 50 г/л (для сравнения, в морской воде - 10 г/л); из них основными по содержанию являются мочевина CO (NH2)2 и NaCl, остальное - сложная смесь органики, фосфор, кальций. И вот здесь наоборот: высокое содержание примесей исключает возможность очистки ее адсорбцией, т.к. необходимый расход поглотителей превышает массу самой очищенной воды. Поэтому на станции Мир в СРВ-У («Система регенерации воды из урины») использовался метод дистилляции через специальную полимерную мембрану, пропускающую молекулы воды (и только их) из ёмкости с более высоким давлением в ёмкость с низким — процесс обратного осмоса. Этот процесс медленный, проходит при температурах ниже 60 градусов Цельсия (чтобы не допустить разложения мочевины на опасный аммиак и углекислый газ), а с ростом концентрации солей в растворе по мере выпаривания воды становится неэффективным, и его прекращают при получении 80% воды из раствора. За время использования на «Мире» СРВ-У было получено 6 000 л воды, из которой затем произведено 4 650 л кислорода электролизным аппаратом «Электрон» (этот метод был описан в предыдущей статье про атмосферу). То есть полученную воду космонавты не пили, она шла на производство кислорода.

В настоящее время в Российском сегменте МКС такой системы нет, но есть она у американцев, и они используют полученную воду как питьевую. По этому поводу астронавты шутят: «Вчерашний кофе превращается в завтрашний!». Хотя у нас тоже уже разработана модернизированная СРВ-УМ, и работает она по более сложному принципу: аппарат содержит ряд вакуумных ступеней-емкостей, которые одновременно вращаются (см. рис. 3). Жидкость под действием центробежных сил отбрасывается на периферию, и происходит разделение смеси «жидкость - газ». Осушённый пар из первой ступени попадает во вторую для более надежной очистки от мелких капель и так четыре раза. В итоге достигается извлечение воды до 90%. Эту систему всё планируют установить на МКС вместе с новым модулем МЛМ («Наука»).

Интересный момент: поломки систем водообеспечения на МКС наглядно показали степень вымывания кальция из костей космонавтов. Кальций теряется так обильно, что засоряются трубы и выходят из строя системы очистки! Так что не все физиологические процессы можно предсказать в земных лабораториях. Прежде чем отправлять первых бесстрашных мечтателей в далекое путешествие, космическим специалистам необходимо многие годы испытывать оборудование на родной орбите, и опыт «Мира» и МКС здесь бесценен.