L’estació espacial internacional (ISS) - Un satèl·lit artificial habitable que orbita la Terra a una altitud de ~ 400 quilòmetres - es basa en un sistema d’oxigen de bucle sofisticat, tancat - per sostenir la seva tripulació de 7 astronautes (capacitat màxima) durant mesos. A diferència de la Terra, on l’oxigen és abundant a l’atmosfera, l’espai és un buit sense font d’oxigen natural. Això significa que l’ISS ha de produir, emmagatzemar, distribuir i reciclar l’oxigen completament a la placa -, alhora que gestiona gasos de residus com el diòxid de carboni (CO₂). El disseny del sistema prioritza la fiabilitat (per evitar la vida - amenaçador de fallades), eficiència (per minimitzar les missions de subministrament de subministrament) i l'adaptabilitat (per gestionar els canvis de mida de la tripulació i els malfuncions dels equips). A continuació, es mostra un desglossament complet del sistema d’oxigen ISS, inclosos els seus components bàsics, principis de treball, reptes i protocols de còpia de seguretat.
1. Sostenint un ambient habitable
Abans d’aprofundir en detalls tècnics, és fonamental comprendre l’objectiu principal del sistema d’oxigen ISS: mantenir una atmosfera que imita la Terra el més a prop possible. Per a la supervivència humana, l’ISS requereix:
Concentració d’oxigen: 21% (el mateix que l’atmosfera terrestre), que és el nivell òptim per a la respiració i evitar la hipòxia (baixa oxigen) o la toxicitat d’oxigen (alta oxigen).
Pressió: 101.3 kilopascals (kPa) o 1 atmosfera (atm) - equivalent al mar - pressió de nivell a la Terra. D’aquesta manera s’evita la malaltia de la descompressió (un risc quan la pressió baixa massa) i permet als astronautes respirar normalment sense equips especialitzats (excepte durant les passarel·les espacials).
Fregament de gas: Eliminació de gasos residuals com Co₂ (produïts per respiració) i traça contaminants (per exemple, compostos orgànics volàtils procedents d'equips o aliments).
Per aconseguir -ho, el sistema d’oxigen ISS funciona com asemi - bucle tancat- produeix nou oxigen, recicla oxigen dels fluxos de residus, emmagatzema l'excés d'oxigen per a les emergències i la distribueix de manera uniforme pels mòduls de l'estació.
2. El sistema de generació d’oxigen (OGS)
La principal font d'oxigen de l'ISS és laSistema de generació d’oxigen (OGS), una configuració modular desenvolupada per la NASA i Rússia Roscosmos (amb aportacions de l’Agència Espacial Europea, ESA i Agència d’exploració aeroespacial del Japó, Jaxa). Els OGS utilitzenelectròlisi- El mateix procés químic utilitzat en alguns generadors basats en oxigen basats en la terra - - per dividir aigua (H₂o) en oxigen (o₂) i hidrogen (h₂). A continuació, es mostra un desglossament detallat dels seus components i operacions:
2.1 Components dels OGS
L’OGS consta de tres subsistemes clau, cadascun amb maquinari especialitzat:
Assemblea de processament d'aigua (WPA): Abans de l’electròlisi, s’ha de purificar l’aigua per eliminar contaminants (per exemple, sals, matèria orgànica) que podrien danyar els elèctrodes dels OGS. El WPA recull aigua de tres fonts:
Aigua reciclada: Condensat de l’aire de l’estació (vapor d’aigua per la respiració i la sudoració), les aigües residuals tractades (per exemple, de les pica, les dutxes) i l’orina (processada pel conjunt de processament d’orina, UPA).
Aigua subministrada: Aigua que es lliura a través de la nau espacial de càrrega (per exemple, el drac de SpaceX, Cygnus de Northrop Grumman) com a còpia de seguretat per a quan els sistemes de reciclatge fracassen.
Aigua de combustible: Un subproducte de les antigues piles de combustible de l'estació (que s'utilitzen per generar electricitat abans de la instal·lació de matrius solars). Si bé les piles de combustible ja no són fonts d’energia primària, encara s’utilitza l’aigua residual si està disponible.
Mòdul d’electròlisi (EM): El cor dels OG, l'EM conté dosCèl·lules d’electròlisi d’òxid sòlid (SOECs)- Dispositius avançats que utilitzen temperatures altes (600–800 graus) per dividir l’aigua en oxigen i hidrogen. A diferència dels sistemes d’electròlisi tradicionals (que utilitzen electròlits líquids), els SOEC utilitzen un electròlit ceràmic sòlid que és més eficient, compacte i durador a l’espai. A continuació, es mostra com funciona el procés:
L’aigua purificada s’alimenta als SOEC com a vapor (vaporitzat per augmentar l’eficiència).
Un corrent elèctric (de les matrius solars de l’ISS) s’aplica als elèctrodes de SOECS (ànode i càtode).
A l’ànode, el vapor reacciona amb l’electròlit ceràmic per produir gas d’oxigen (O₂), electrons i ions d’hidrogen (H⁺).
Els electrons flueixen a través d’un circuit extern (generant una petita quantitat d’electricitat addicional), mentre que els ions d’hidrogen es mouen a través de l’electròlit fins al càtode.
Al càtode, els ions d’hidrogen es combinen amb electrons per formar gas d’hidrogen (H₂).
Subsistema de manipulació d’oxigen (OHS): Després de la producció, l’oxigen de l’EM es processa i es distribueix:
Refrigeració: El gas d’oxigen calent (dels SOECs) es refreda a temperatura ambient mitjançant intercanviadors de calor (connectats al sistema de control tèrmic de l’ISS).
Sec: Qualsevol vapor d'aigua que queda s'elimina mitjançant tamis moleculars (similars als de la Terra - concentradors d'oxigen basats en l'oxigen) per evitar la condensació a les canonades de l'estació.
Distribució: L’oxigen sec i pur (99,999% de puresa) s’envia a l’atmosfera de l’ISS mitjançant una xarxa de vàlvules i canonades, barrejant -se amb l’aire existent per mantenir la concentració del 21%.
Ventilació d'hidrogen: El subproducte d'hidrogen no és utilitzat per l'ISS (ja que l'estació funciona amb energia solar, no les piles de combustible d'hidrogen) i es ventila a l'espai. Aquesta és una diferència clau de les estacions espacials primerenques com el MIR, que utilitzaven hidrogen per generar electricitat.
2.2 Eficiència i capacitat dels OGS
L’OGS està dissenyat per satisfer la demanda diària d’oxigen de l’ISS, que és de ~ 0,84 quilograms (kg) per astronauta (equivalent a ~ 588 litres d’oxigen gasós a 1 atm). Per a una tripulació de 7, això totalitza ~ 5,88 kg d'oxigen al dia. Les mètriques de rendiment clau de l'OGS inclouen:
Tarifa de producció: Cada SOEC pot produir ~ 0,5 kg d'oxigen al dia, de manera que els dos SOEC generen ~ 1 kg al dia. Tot i això, el sistema funciona en un mode esglaonat (un SOEC actiu, un en espera) per reduir el desgast, donant lloc a una producció neta de ~ 0,5 kg al dia. Això significa que els OGS només no poden satisfer la demanda completa de la tripulació - Per tant, la necessitat de fonts addicionals d’oxigen (vegeu la secció 3).
Eficiència energètica: Els SOEC són altament eficients, convertint el ~ 80% de l'energia elèctrica en oxigen (en comparació amb el ~ 60% dels sistemes tradicionals d'electròlisi). Això és fonamental perquè les matrius solars de l’ISS tenen una capacitat limitada (~ 120 quilowatts, KW, de potència per a tots els sistemes).
Fiabilitat: L’OGS té una vida útil de disseny de 15 anys (estesa des dels deu anys originals) i inclou components redundants (per exemple, SOECs de còpia de seguretat, vàlvules) per evitar fallades. Des de la seva instal·lació el 2008 (com a part del mòdul del node ISS, la tranquil·litat), l'OGS només ha experimentat problemes menors (per exemple, filtres d'aigua obstruïts) que es van resoldre mitjançant la resolució de problemes remots.
3. Sistemes de còpia de seguretat i suplementaris
Si bé l’OGS és la font d’oxigen primari, l’ISS es basa en tres sistemes secundaris per assegurar un subministrament continu - crític per a quan els OGS no es produeixen mal funcionament o durant la demanda màxima (per exemple, quan la mida de la tripulació augmenta temporalment).
3.1 Dipòsits d’oxigen a pressió (segment rus)
El segment rus de l'ISS (rs) - que inclou mòduls com Zvezda (mòdul de servei) i Nauka (mòdul de laboratori multiPurpose) - usostancs d’oxigen a pressióCom a còpia de seguretat. Aquests tancs són:
Dissenyar: Dipòsits cilíndrics fets d'aliatge de titani (per suportar la pressió alta i la radiació espacial) amb una capacitat de ~ 40 litres cadascun. Emmagatzemen oxigen com un gas de pressió alt - (3.000 psi, o 20,7 mPa) - El mateix tipus utilitzat a la terra - tancs de scuba basats en els tancs però modificats per a l'espai.
Proveir: Els tancs es lliuren a la ISS a través de la nau espacial de càrrega russa (per exemple, progrés) i s’adhereixen als ports externs de la RS. Cada missió de progrés porta 2-3 tancs, proporcionant ~ 100–150 kg d’oxigen per missió (suficient per donar suport a una tripulació de 7 durant ~ 20-25 dies).
Desplegament: Quan l'OGS falla, el sistema de suport de la vida de RS obre vàlvules per alliberar oxigen dels tancs a l'atmosfera de l'estació. Els dipòsits també s’utilitzen durant les passarel·les espacials (EVA, activitat extravehicular) per subministrar oxigen a les espacies dels astronautes.
3.2 Espelmes d’oxigen (generadors d’oxigen químics)
Per a situacions d’emergència (per exemple, una fallada important d’OGS combinada amb un retard en el subministrament de càrrega), l’ISS utilitzaespelmes d’oxigen- Compacte, químic - generadors basats que produeixen oxigen mitjançant una reacció tèrmica. Aquestes espelmes són:
Composició: Cada espelma és un bloc sòlid de clorat de sodi (naclo₃) barrejat amb un catalitzador (per exemple, pols de ferro) i un combustible (per exemple, alumini). Quan s’encén, el clorat de sodi es descompon a temperatures altes (500-600 graus) per produir gas d’oxigen i clorur de sodi (sal de taula).
Capacitat: Una sola espelma (pesant ~ 1 kg) produeix ~ 60 litres d'oxigen (suficient per a un astronauta durant ~ 10 hores). L’ISS porta ~ 100 espelmes, emmagatzemades en contenidors a prova de foc a cada mòdul (per exemple, Zarya, unitat) per a un fàcil accés.
Seguretat: Les espelmes d’oxigen estan dissenyades per estar segures a l’espai - No produeixen flames obertes (només calor) i el subproducte de clorur de sodi és no - tòxic (es recopila en un filtre i després s’elimina durant les missions de càrrega). Tot i això, només s’utilitzen com a últim recurs per la seva capacitat limitada i la necessitat d’activació manual.
3.3 Suport a la vida regenerativa: reciclatge de l’oxigen de Co₂
Els ISS'sSistema de control ambiental i de suport vital (ECLSS)Inclou un component regeneratiu que recicli l’oxigen de Co₂ - reduint la necessitat de nova producció d’oxigen. Això es fa a través delMuntatge d'eliminació de diòxid de carboni (CDRA)(Segment dels Estats Units) i elSistema de Vozdukh(Segment rus):
CDRA (segment EUA): Utilitza un procés de pas - anomenatDesorció d’aigua amina sòlidaPer eliminar co₂ i produir oxigen:
Adsorció de co₂: L’aire de l’ISS es bombeja a través d’un llit d’amina sòlida (un compost químic que s’uneix a Co₂). Les trampes amines co₂, mentre que l’aire net (sense co₂) es torna a l’estació.
Desorció i producció d’oxigen: Quan el llit amina està saturat, s'escalfa per alliberar el co₂ atrapat. El co₂ es reacciona amb hidrogen (del procés d’electròlisi de l’OGS) en unReactor Sabatier(Un altre component ECLSS) per produir aigua (h₂o) i metà (ch₄). L'aigua s'envia a les OG per dividir -se en oxigen i hidrogen, creant un bucle tancat.
Vozdukh System (segment rus): Utilitza un procés similar però amb un producte químic diferent (hidròxid de liti, LIOH) per absorbir co₂. A diferència del CDRA, el sistema VOZDUKH no recicla co₂ a l’oxigen - en canvi, el LIOH es descarta després que es saturi (es substitueix mitjançant missions de càrrega). Tot i això, és més senzill i fiable que el CDRA, convertint -lo en una valuosa còpia de seguretat.
El sistema regeneratiu redueix la demanda d’oxigen de l’ISS en un 40%- un guany d’eficiència crítica que minimitza la necessitat de les missions de subministrament. Per exemple, sense reciclatge, l’estació necessitaria ~ 9,8 kg d’oxigen al dia per a 7 astronautes; Amb el reciclatge, això baixa a ~ 5,88 kg.
4. Garantir la resiliència per a les emergències
A més de les fonts secundàries, l’ISS ha dedicat sistemes d’emmagatzematge d’oxigen a gestionar la demanda màxima i les emergències. Aquests sistemes estan dissenyats per emmagatzemar oxigen en dues formes: Gas i líquid High-.
4.1 High - Emmagatzematge de gas a la pressió (segment nord -americà)
El segment dels Estats UnitsHigh - dipòsits de gas a la pressióes troben als mòduls del node 1 (unitat) i del node 3 (Tranquility). Aquests tancs:
Dissenyar: Tancs esfèrics fets d’inconel (un níquel - aliatge de crom resistent a la corrosió i altes temperatures) amb una capacitat de ~ 150 litres cadascun. Emmagatzemen oxigen a 6.000 psi (41,4 MPa) - dues vegades la pressió dels tancs del segment rus - que permeten guardar més oxigen en un espai més petit.
Capacitat: Cada tanc té ~ 100 kg d'oxigen (suficient per a 7 astronautes durant ~ 17 dies). El segment dels Estats Units té 4 tancs d’aquest tipus, proporcionant una còpia de seguretat total de ~ 400 kg (suficient durant ~ 68 dies).
Ús del cas: Aquests tancs s'utilitzen per complementar els OG durant la demanda màxima (per exemple, quan dos astronautes es troben en una passarel·la espacial, augmentant el consum d'oxigen en un 50%) i com a còpia de seguretat si els OG falla. També s’utilitzen per reprimir l’estació després d’una passarel·la (ja que es perd algun aire durant EVA).
4.2 Emmagatzematge d’oxigen líquid (LOX) (només d’emergència)
Per a les emergències de llarg termini de llargOxigen líquid (LOX)- La mateixa forma que s'utilitza en el combustible de coets. LOX s'emmagatzema a:
Dissenyar: Doble - dipòsits emmurallats amb una capa d’aïllament de buit per mantenir el LOX a -183 graus (el seu punt d’ebullició a 1 atm). Els dipòsits són petits (~ 50 litres cadascun) a causa de l’espai limitat de l’estació.
Capacitat: Un dipòsit Lox de 50 litres té ~ 60 kg d'oxigen (ja que Lox té una densitat de 1,141 kg/L), suficient per a 7 astronautes durant ~ 10 dies. L’ISS té 2 tancs d’aquest tipus, proporcionant un total de ~ 120 kg (suficient durant ~ 20 dies).
Reptes: Emmagatzemar LOX a l’espai és difícil perquè la temperatura de l’estació fluctua (de - 120 graus en ombra a 120 graus a la llum del sol), provocant que alguns LOX es bullin (vaporitzin). Per minimitzar la ebullició, els dipòsits estan equipats amb escalfadors que regulen la temperatura i una vàlvula d’alleujament de pressió que desprèn l’excés de gas (que després es captura i s’utilitza a l’atmosfera de l’estació).
5. Garantir el subministrament uniforme entre mòduls
La ISS és una xarxa complexa de 16 mòduls (a partir del 2024), incloent -hi els quarters de vida (per exemple, els trimestres de la tripulació), els laboratoris (per exemple, Columbus, Kibo) i els mòduls de servei (per exemple, Zvezda, Nauka). Per assegurar que cada mòdul tingui una concentració consistent del 21% d’oxigen, l’estació utilitza aSistema de distribució centralitzadaAmb els components següents:
5.1 Ventiladors de circulació de l’aire
Cada mòdul té 4-6Ventiladors de circulació d'aireque mouen aire a un ritme de ~ 1 metre cúbic per minut. Aquests fans:
Eviteu les butxaques d’aire estancades (que podrien comportar nivells baixos d’oxigen a les cantonades del mòdul).
Barregeu l’oxigen de nova producció amb l’aire existent per mantenir la concentració del 21%.
Premeu l’aire pels sistemes CDRA/Vozdukh per eliminar els contaminants i els contaminants.
Els ventiladors són crítics perquè, en la microgravitat (sense pes), l’aire no circula de manera natural (com ho fa a la Terra a causa de la convecció). Sense fans, els astronautes podrien experimentar hipòxia en zones lluny de la font d’oxigen.
5.2 Vàlvules i canonades
Una xarxa decanonades d'acer inoxidable(De 2 a 4 polzades de diàmetre) connecta els OG, els dipòsits d'emmagatzematge i els mòduls. Cada canonada està equipada amb:
Vàlvules de solenoide: Vàlvules controlades elèctricament que s’obren i s’apropen per regular el flux d’oxigen. Aquestes vàlvules són redundants (cada canonada té dues vàlvules) per evitar fuites.
Sensors de pressió: Superviseu la pressió a les canonades per assegurar -se que coincideixi amb la pressió atmosfèrica de l'estació (101,3 kPa). Si la pressió baixa (per exemple, a causa d’una fuga), els sensors desencadenen una alarma i tanquen les vàlvules afectades.
Filtres: Elimineu la pols i les deixalles de l’oxigen per evitar danys als aficionats i sistemes de suport de la vida.
5.3 Mòdul - Reguladors específics
Cada mòdul té unregulador de pressióAixò ajusta el flux d’oxigen al mòdul en funció de la seva mida i ocupació. Per exemple:
Els mòduls petits (per exemple, els quarters de la tripulació, que són de ~ 10 metres cúbics) requereixen un cabal inferior (~ 0,1 kg d’oxigen al dia) que els grans mòduls (per exemple, el laboratori Columbus, que és de ~ 75 metres cúbics, que requereix ~ 0,5 kg per dia).
Els reguladors també asseguren que la pressió del mòdul es manté en 101,3 kPa, fins i tot si s’estan repressuritzant altres mòduls (per exemple, després d’una passarel·la).
