Коли ви вирушаєте в похід, вам, можливо, доведеться взяти з собою їжу та, можливо, засоби для очищення або обробки води. Але уявіть собі, що ваш табір знаходиться в космосі, де немає води, і упаковка пляшок з водою займає багато місця, адже кожен дюйм вантажного простору на рахунку. Це ключове викликів, з яким стикалися інженери під час проектування Міжнародної космічної станції (МКС).
Тільки-но NASA розробило сучасну систему переробки води, вода становила майже половину вантажу шатлів, які летіли до МКС. Я є екологічним інженером і проводив дослідження в лабораторії космічних наук Космічного центру Кеннеді. В рамках цієї роботи я допомагав розробляти замкнуту систему відновлення води.
Сьогодні NASA відновлює понад 90% води, що використовується в космосі. Чиста вода забезпечує астронавтів гідратацією, гігієною та поживою, оскільки її можна використовувати для зволоження їжі. Відновлення використаної води є основою системи підтримки життя замкнутого циклу, що є важливим для майбутніх баз на Місяці, місій на Марс і навіть можливих космічних поселень.
Екологічна система контролю та підтримки життя NASA — це набір обладнання та процесів, які виконують кілька функцій, щоб підтримувати якість повітря та води, утилізацію відходів, атмосферний тиск і системи екстреного реагування, такі як виявлення і гасіння пожеж. Система відновлення води — один з компонентів цієї системи, яка підтримує астронавтів на борту МКС і відіграє центральну роль у переробці води.
Системи водопостачання, розроблені для мікрогравітації
У мікрогравітаційних умовах, таких як на МКС, кожен вид води цінний. Системи відновлення води на МКС збирають воду з різних джерел, включаючи сечу, вологість повітря в каюті та води, отримані під час гігієнічних процедур — таких як чистка зубів.
На Землі стічні води включають різні види води: побутові стічні води з раковин, душів і унітазів; промислові стічні води з заводів і виробничих процесів; та сільськогосподарські стоки, які містять добрива та пестициди.
У космосі стічні води астронавтів значно більш концентровані, ніж стічні води на Землі. Вони містять набагато вищі рівні сечовини — сполуки з сечі — солей та сурфактантів з мийних засобів та матеріалів, що використовуються для гігієни. Щоб зробити воду безпечною для пиття, система повинна швидко та ефективно видаляти все це.
Системи відновлення води, що використовуються в космосі, реалізують деякі з тих же принципів, що й наземні системи очистки води. Однак вони спеціально спроектовані для роботи в умовах мікрогравітації з мінімальним обслуговуванням. Ці системи також повинні працювати місяцями або навіть роками без потреби в заміні частин або ручному втручанні.
Система відновлення води NASA збирає та переробляє майже всі форми води, які використовуються або генеруються на борту космічної станції. Вона перенаправляє зібрану стічну воду до системи, відомої як установка обробки води, де вона очищується до безпечної, питної води, яка перевищує багато стандартів питної води на Землі.
Система відновлення та очищення води на МКС складається з кількох підсистем.
Відновлення води з сечі та поту
Установка обробки сечі відновлює приблизно 75% води з сечі шляхом нагрівання та вакуумної компресії. Віднова вода відправляється в установку обробки води для подальшої обробки. Залишкова рідина, відома як бруд, все ще містить значну кількість води. Тому NASA розробило систему обробки бруду для видобутку остаточної частини води з бруду сечі.
В установці обробки бруду тепле, сухе повітря випаровує воду з залишкової бруди. Фільтр відокремлює забруднювачі від водяної пари, і водяна пара збирається для перетворення на питну воду. Ця інновація підвищила загальний коефіцієнт відновлення води системи до вражаючих 98%. Залишкові 2% комбінуються з іншими відходами, що генеруються.
Система поновлення повітря конденсує вологу з повітря в каюті — в основному водяну пару з поту й видиху — у рідку воду. Вона направляє відновлену воду до установки обробки води, яка очищає всю зібрану воду.
Очищення відновленої води
Процес очищення в установці обробки води включає кілька етапів.
Спочатку вся зібрана вода проходить через фільтри, щоб видалити завислі частинки, такі як пил. Потім ряд фільтрів видаляє солі та деякі органічні забруднювачі, після чого відбувається хімічний процес, званий каталізованою окиснюванням, який використовує тепло та кисень для розкладання залишкових органічних сполук. Останнім етапом є додавання йоду до води, щоб запобігти мікробному зростанню під час її зберігання.
На виході отримується питна вода — часто чистіша, ніж водопровідна вода на Землі.
Шлях до Марса і далі
Для того, щоб зробити можливими людські місії на Марс, NASA оцінило, що космічні кораблі повинні відновлювати принаймні 98% води, яку використовують на борту. Хоча самодостатня подорож до Марса все ще кілька років віддалена, нова установка обробки бруду на МКС підвищила коефіцієнт відновлення води настільки, що ця мета тепер досяжна. Однак потрібно більше роботи для розробки компактної системи, яка може бути використана в космічному кораблі.
Подорож до Марса складна не лише через відстань, але й тому, що Марс і Земля постійно рухаються в своїх орбітах навколо Сонця.
Відстань між двома планетами змінюється залежно від їхніх положень. В середньому вони віддалені приблизно на 140 мільйонів миль (225 мільйонів км), при цьому найменша теоретична відстань, коли орбіти двох планет підходять ближче одна до одної, дорівнює 33,9 мільйона миль (54,6 мільйона км).
Очікується, що типова пілотована місія займе близько дев’яти місяців в один бік. Кругова місія на Марс, включаючи поверхневі роботи та планування повернення, може тривати близько трьох років. Крім того, вікна запуску відбуваються лише кожні 26 місяців, коли Земля та Марс сприятливо вирівняні.
Оскільки NASA готується відправити людей в багаторічні експедиції на червону планету, космічні агентства по всьому світу продовжують зосереджуватись на покращенні двигунів та вдосконаленні систем підтримки життя. Досягнення в замкнутий системах, робототехнічна підтримка та автономні операції все більше наближають мрію про відправлення людей на Марс до реальності.