Усовершенствование системы регенерации кислорода на международной космической станции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проект

"Усовершенствование системы регенерации кислорода на международной космической станции"

Автор: Поджарская Марина Сергеевна

Научный руководитель: Николаева Наталья Викторовна

Новомосковск, 2016 г.

История проблемы

В настоящее время генераторы кислорода на международной космической станции (МКС) производят кислород (О 2) из воды при помощи электролиза (Рисунок 1 в Приложениях), а образующийся в ходе реакции водород (Н 2) сбрасывают за борт. Во время дыхания (Рисунок 2 в Приложениях) образуется диоксид углерода (СО 2), который впоследствии необходимо удалять из воздуха. Этот подход требует регулярных поставок на космическую станцию значительного количества кислорода или воды для его производства, помимо воды для питья, гигиены и т. д. Такое снабжение очень невыгодно экономически, кроме того оно станет недоступно в будущих долговременных полётах за пределы околоземной орбиты.

Цель и задачи работы

Цель: усовершенствование системы регенерации кислорода на международной космической станции.

Задачи:

1. рассмотреть системы снабжения кислородом;

2. разработать системы сбора углекислого газа;

3. рассмотреть все возможные реакции для получения воды из углекислого газа;

4. провести сравнительный анализ реакций;

5. рекомендовать для исследования систему снабжения кислородом МКС.

Из истории систем кислородообеспечения

Система жизнеобеспечения (СЖО) обитаемых космических объектов предназначена для:

· обеспечения экипажа кислородом;

· удаления диоксида углерода;

· удаления вредных микропримесей;

· поддержания физических и химических характеристик атмосферы;

· снабжения экипажа необходимым количеством питьевой воды и воды для различных нужд.

Первому полету человека в космическом корабле предшествовали запуски стратостатов, ракет и искусственных спутников Земли, в которых имелись СЖО для людей и животных (большей частью для собак). В стратостатах "СССР-1" (1933 г.) и "Осоавиахим-1" (1934 г.) СЖО включали запасы криогенного и газообразного кислорода. Продуктом жизнедеятельности живых существ является диоксид углерода, который первоначально удалялся с помощью химического известкового поглотителя по реакции: атмосфера кислород надперекисный

Са(ОН)2 + СО 2 = СаСО 3 + Н 2О

Очистка атмосферы и обеспечение кислородом осуществлялось с помощью надперекисных соединений, которые при поглощении паров воды выделяли кислород и связывали диоксид углерода.

4КО 2 + 2Н 2О = 3О 2 + 4КОН

2КОН + СО 2 = К 2СО 3 + Н 2О

К 2СО 3 + Н 2О + СО 2 = 2КНСО 3

На борту первых искусственных спутников Земли в состав СЖО для собак входили некоторые элементы будущих СЖО для космонавтов: устройство для приема пищи и ассенизационное устройство.

Система обеспечения газового состава автоматических космических аппаратов "Бион" и "Фотон", предназначенная для снабжения кислородом животных, удаления диоксида углерода и газообразных микропримесей в спускаемом аппарате, состоит из:

· патронов с кислородсодержащим веществом и поглотителем вредных микропримесей;

· патрона с поглотителем диоксида углерода и вредных микропримесей;

· вентиляторов;

· блока управления и контроля.

Система обеспечивает комфортную газовую среду в космическом аппарате и работает следующим образом. Газо-воздушная смесь вентилятором прокачивается через регенеративный патрон, где очищается от диоксида углерода и вредных примесей, затем обогащается кислородом. Избыток диоксида углерода удаляется путем периодического включения поглотительного патрона, который также обеспечивает очистку от вредных примесей. Автоматизированная система управления обеспечивает контроль содержания в воздухе кислорода и диоксида углерода.

В состав СЖО на борту кораблей "Восток" и "Восход" для удаления диоксида углерода и очистки атмосферы входило устройство с использованием надпероксида калия и активированных углей.

В корабле "Союз" для этих целей дополнительно применялся гидроксид лития. Для обеспечения кислородом использовали надпероксид калия и запасы кислорода и воздуха в баллонах под высоким давлением. Состав атмосферы (смесь азота и кислорода) в этих условиях контролировался с помощью газоанализатора на содержание кислорода и диоксида углерода. Несмотря на повышенную безопасность и надежность, незначительные энергетические потребности при функционировании на основе запасов расходуемых веществ, взятых с Земли, вышеуказанные СЖО имеют существенный недостаток: их масса и габариты увеличиваются пропорционально длительности космической экспедиции и числу членов экипажа. По достижении определенной продолжительности полета СЖО на основе запасов являются препятствием для реализации экспедиции. Основываясь на нормах потребления основных компонентов СЖО, полученных в результате многолетней практики длительных орбитальных полетов на станциях типа "Салют", "Мир" и "МКС" (кислород - 0,96 кг/чел. сутки, питьевая вода - 2,5 кг/чел. сутки, пища - 1,75 кг/чел. сутки и т.д.), легко подсчитать, что необходимая масса запасов для экипажа, состоящего из шести человек, в условиях 500-суточного полета без учета массы тары и систем хранения составила бы величину более 58 т. Полученные данные свидетельствуют о том, что СЖО на основе запасов практически исключают реализацию длительных экспедиций. Габаритно-массовые ограничения могут быть преодолены за счет применения регенерационных СЖО.

Разработка системы сбора углекислого газа

Так как температура на затененных поверхностях станции достигает очень низких значений, методы, требующие охлаждения, являются наименее энергозатратными.

Поэтому система сбора углекислого газа будет работать на базе известных методов разделения газов, таких как фракционированная конденсация (ступенчатое охлаждение с выделением нужной фракции) в сочетании с последующей ректификацией сжиженной смеси. При использовании теплообменника довольно простой конструкции из смеси выдыхаемого воздуха выделяются водяные пары и углекислый газ для последующего повторного использования в системе регенерации кислорода.

Рассмотрим этот процесс подробнее. Система сбора СО 2 и Н 2О из воздуха для повторного использования представляет из себя пластинчатый металлический теплообменник периодического действия с дополнительным электронагревателем, расположенный на внешней поверхности станции.

Работает в три этапа:

1. При нахождении станции на теневой стороне Земли в теплообменник подается воздух из атмосферы МКС. Когда теплообменник остывает до температуры порядка 0°С, водяные пары конденсируются на стенках в виде инея. СО 2 (при температуре порядка - 40 °С) выделяется из смеси в виде жидкости. Жидкий СО 2 и воздух, очищенный от водяных паров и углекислого газа, забирают из теплообменника и пропускают через поглотитель СО 2. Далее воздух, очищенный от СО 2 и Н 2О, нагревается и подается обратно в атмосферу станции.

2. Поглотитель углекислого газа нагревается и СО 2 переходит в газообразную фазу. Затем СО 2 собирают в баллоны и в дальнейшем подают в метановый реактор.

3. При нахождении станции на освещенной стороне теплообменник нагревается и иней переходит в жидкую фазу. Воду откачивают в накопитель и затем подают в электролизер.

Сравнительный анализ возможных реакций для получения воды и кислорода из углекислого газа

1. Реакция Боша

СО 2 + 2Н 2 = С + 2Н 2О

2. Реакция Сабатье

СО 2 + 4Н 2 = СН 4 + 2Н 2О

3. Реакция с твердым электролитом (Сноска 1)

Проведен сравнительный анализ данных реакций по ряду показателей. Для удобства все результаты представлены в таблице.

Таблица

Таким образом, реакция Сабатье является наиболее удачной для использования в СЖО космической станции, так как для протекания этой реакции требуются относительно невысокие температуры. Кроме того, в ходе реакции вместе с водой получается метан, который можно накапливать и использовать в качестве топлива для двигателей корректировки орбиты.

Создание усовершенствованной системы жизнеобеспечения

(Схема 1 из приложений)

Система состоит из 3 главных частей:

1. Теплообменник (см. "Разработка системы сбора углекислого газа");

2. Реактор Сабатье;

3. Электролизер.

Реактор Сабатье

Представляет собой небольшой металлический агрегат цилиндрической формы с никелевым катализатором внутри и с электронагревателем, обеспечивающим условия протекания реакции при температуре порядка 400°С. Реакция Сабатье проходит по формуле:

СО 2+4Н 2=СН 4+Н 2О

В реактор подается СО 2 из накопителя и Н 2 из электролизера, затем они нагреваются и вступают в реакцию между собой с применением катализатора. В ходе реакции получаются метан и вода, которые выводятся из реактора. Метан направляется в теплообменник, где охлаждается параллельными потоками СО 2 и очищенного воздуха, выходящих из накопителя углекислого газа. Вода же, пройдя через конденсатор водяных паров, направляется в электролизер.

Электролизер

Электролиз воды проводится всегда с применением электрохимически инертного электролита, обеспечивающего необходимую электропроводность раствора (Рис.1 в Приложении).

В используемых установках в расчете на одного человека используется ток силой 120А при плотности тока 0,1--0,15 А/см 2. Общая поверхность электродов электролизера будет лежать в пределах 800--1200 см 2, а с учетом увеличения потребления О 2 при большой физической нагрузке общая поверхность электродов должна быть увеличена в 2-3 раза.

Описание работы установки

Изначально воздух поступает в установку из атмосферы станции. Насос перекачивает его в теплообменник, где из воздуха выделяются СО 2 и Н 2О. Далее очищенный воздух проходит через теплообменник и поступает обратно в атмосферу станции. Вода поступает в электролизер. СО 2 закачивается в реактор Сабатье, туда же из электролизера направляется Н 2. В аппарате Сабатье проходит реакция, в ходе которой получается СН 4 и Н 2О. Так как реакция проходит при температуре равной 400°С, вода и метан выходят из реактора при той же температуре. Далее вода проходит через теплообменник, где охлаждается до температуры конденсации и направляется в электролизер. Метан, проходя через теплообменник, охлаждается параллельными потоками очищенного воздуха и СО 2 и закачивается в "Емкость для сбора СН 4". Метан из этих емкостей может быть использован в маневровых двигателях для дальнейшей корректировки орбиты. В электролизер попадает вода из теплообменника и из реактора Сабатье. Далее воду разлагают до водорода и кислорода, который выпускают в атмосферу станции.

Анализ установки

При условии КПД данной установки не менее 79%, обеспечивается замкнутый цикл процесса получения кислорода.

Например:

За сутки человек выдыхает 0.8 кг/сутки СО 2, 1 кг/сутки Н 2О, поглощает при этом 1 кг/сутки О 2. Следовательно через установку за сутки проходит 1кг Н 2О, 0.8 кг СО 2 (из расчета на одного человека).

Рассчитаем количество Н 2О, полученного из СО 2 за 1 сутки. По формуле реакции Сабатье и при помощи данных, указанных в сноске 2 получим, что из 0.8 кг углекислого газа выработается 0,655 кг воды, для чего потребуется еще 0.144 кг водорода. Всего установка выработает воды 1 кг (масса водяных паров, выдыхаемых человеком) + 0,655 кг=1.655 кг.

Вся эта вода в конечном итоге попадает в электролизер, где распадается на водород и кислород. Из 1.655 кг воды по формуле электролиза при помощи данных из 2 сноски получим, 1,1795 кг кислорода и 0.184 кг водорода.

Все расчеты проводились без учета КПД каждой части установки. Чтобы замкнуть цикл процесса, КПД процесса должен быть выше 0,144/0,184*100%= 79% (чтобы не доставлять водород извне).

Выводы

Таким образом, предлагается более эффективная СЖО станции кислородом, чем существующие. Она предполагает использование меньшего запаса воды, что позволяет увеличить массу полезного груза, доставляемого с Земли.

Сноска 1

1. Углекислый газ течет в трубке электролитических элементов, где захватывает два электрона и образует окись углерода и ион кислорода.

2. Ионы кислорода проходят сквозь стенку трубки под влиянием электрического поля и отдают свои электроны на внутреннем электроде, образуя кислород высокой чистоты.

3. Углекислый газ и окись углерода из электролитического элемента отводятся в каталитический реактор, в котором окись углерода преобразуется в углерод и углекислый газ, направляемый затем в электролитические элементы.

4. Система с расплавленным карбонатом основана на непрерывном электролизе расплавленного раствора карбоната лития и хлорида лития с одновременной реакцией образующейся окиси лития с подводимым в электролитические элементы углекислым газом. Литий, образующийся на катоде (4Li++4е>4Li), реагирует с расплавленным карбонатом, образуя углерод и окись лития (4Li+Li2CO3C+3Li2O).

5. Окись лития вступает в реакцию с углекислым газом, образующимся на аноде (2СО 3>2СО 2+О 2+4е), и углекислым газом, подводимым извне для питания системы (1/3 общего количества), улучшая качество карбоната (3Li2О+3СО 2>3Li2CO3).

Сноска 2

M= m/n

M - молярная масса, кг/моль; m- масса, кг; n- количество вещества, моль.

М (О 2) = М(О)*2= 0,032 кг/моль

М (Н 2О) = М(Н)*2+М(О)=0.018 кг/моль

М(СО 2)= М(С)+М(О)*2=0.044 кг/моль

М(Н 2)= М(Н)*2=0.002 кг/моль

Список литературы

1. ПРИМЕНЕНИЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ХЕМОСОРБЕНТОВ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА В ОБИТАЕМЫХ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ С.И. Дворецкий, Н.Ф. Гладышев, М.Н. Краснянский, В.П. Таров, В.Е. Галыгин ФГБОУ ВПО "Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов; ОАО "Корпорация "Росхимзащита", г. Тамбов Рецензент д-р техн. наук, профессор Н.Ц. Гатапова

2. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук Деревщиков Владимир Сергеевич РЕГЕНЕРИРУЕМЫЕ ПОГЛОТИТЕЛИ СО 2 НА ОСНОВЕ КАРБОНАТА КАЛИЯ И ОКСИДА КАЛЬЦИЯ ДЛЯ СОРБЦИОННО-КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРИЛОЖЕНИЯХ 02.00.04. - Физическая химия Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук Научный руководитель: кандидат химических наук, доцент Окунев Алексей Григорьевич Новосибирск - 2014

3. Малоземов В.В., Рожнов В.Ф., Правецкий В.Н. Системы жизнеобеспечения экипажей летательных аппаратов. Издательство "Машиностроение", 1986 г. - УДК 629.786.048 (075.8) Глава IV МЕТОДЫ РЕГЕНЕРАЦИИ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ КАБИН ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ § 4.2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ РЕГЕНЕРАЦИЯ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ

4. РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Государственный научный центр РФ - Институт медико-биологических проблем Доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ.Ю.Е. СИНЯК. АКТОВАЯ РЕЧЬ "СИСТЕМЫ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ОБИТАЕМЫХ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ" (Прошлое, настоящее и будущее) Москва Октябрь 2008

5. http://www.physiologynorma.ru/sistemy-zhizneobespecheniya-kosmicheskix-korablej-i-skafandrov/sistemy-regeneracii-kisloroda/

6. http://www.astronaut.ru/bookcase/books/sharp01/text/36.htm

7. http://psi8.narod.ru/af/blok/sistem/system.html

8. http://suslovm.narod.ru/Gazogenerator1.html

9. http://www.alhimik.ru/teleclass/konspect/konsp6-04.shtml

Приложения

Рис. № 1

Рис. № 2

Схема №1 усовершенствование системы жизнеобеспечения

Размещено на Allbest.ru