Человек дышащий. Как дыхательная система влияет на наши тело и разум и как улучшить ее работу - Светлана Евгеньевна Проскурина
Как дышать, если ты в космосе
Я довольно сильно привязана к нашей зеленой планете, и фильмы о полетах к другим мирам, на мой взгляд, всегда пропитаны пронзительным одиночеством человека в пустом и совершенно необитаемом космосе. Да и для обеспечения человеческой жизни там нет ничего – ни еды, ни воды, ни воздуха. Тем не менее количество людей в космосе увеличивается с каждым годом. Одной из первых задач обеспечения жизни человека в условиях космоса становится проблема дыхания. Чем там можно дышать, если вокруг нет вообще ничего? Пустота – неподходящий субстрат для дыхания. Так неужели весь воздух для длительного пребывания на орбите космонавту нужно везти с собой? Такой багаж не влезет в ручную кладь, ведь для нахождения одного человека на МКС нужно одного кислорода целых 600 (!) литров в сутки.
Но в первую очередь задача инженеров космических станций состоит даже не в обеспечении кислородом, а в удалении углекислого газа. Обычно его в атмосфере около 0,04 %. Если его количество возрастает до 0,7 %, человек чувствует духоту, ритм сердца подскакивает, ухудшается умственная деятельность, настроение и сон. Когда мы заходим в помещение и чувствуем, что там душно, это вовсе не означает недостаток кислорода в нем. Так мы чувствуем избыток углекислого газа, то есть, буквально, там кто-то надушнил. Но как избавиться от лишнего СО2 в космосе, ведь форточку там не откроешь? И тут на помощь приходит кошачий туалет.
Это прозвучит удивительно, но у системы жизнеобеспечения на МКС и кошачьего лотка много общего. И там и там используется цеолит. Это кошачий наполнитель, который умеет не только удерживать воду, но и в определенных условиях захватывать из воздуха углекислый газ. В камеры с космическим кошачьим наполнителем подается заранее осушенный воздух, иначе цеолит напитается водой. Цеолит захватывает углекислый газ, а потом камеру соединяют с внешней средой корабля, где возникает вакуум, и углекислый газ выветривается в окружающий космос из «лотка». После этого цеолит снова способен улавливать углекислый газ.
Конечно, заправляются такие камеры не совсем тем же самым цеолитом, что вы покупаете для своего котика, но все же это тот же самый тип минерала. Один и тот же минерал, а какие разные судьбы!
Следующая задача для нормального дыхания на орбите – обеспечить кислород, которого в атмосфере 21 %. Кислород привозят на МКС в кислородных баллонах, на всякий случай, но для длительной жизни на орбите пришлось бы привезти очень много кислорода. В среднем один космонавт на станции потребляет 1 кг кислорода в сутки (это примерно 600 литров), а для обитания на орбите 3 человек в течение недели понадобился бы 21 кг кислорода в довольно объемной таре. Самое неприятное то, что кислород невероятно огнеопасен. Он, можно сказать, олицетворяет собой любой огонь. Чем больше ты его везешь, тем опаснее такое путешествие.
Собственно, поначалу инженеры экспериментировали с атмосферой внутри корабля, и миссия «Апполон-1» должна была отправиться в космос, дыша чистым кислородом при пониженном давлении. Это сильно упрощало систему жизнеобеспечения. Но на этапе подготовки к полету произошел пожар и все космонавты трагически погибли. После этого атмосферу кораблей стали делать приближенной к земной, а еще сократили горючие материалы внутри корабля. Оказалось, что в кислородной среде пожароопасными становятся вполне обычные предметы вроде молний на одежде или липучек.
Чтобы решить эти проблемы и восполнять запасы кислорода, на МКС его производят, а именно воссоздают условия возникновения кислорода на Земле миллиарды лет назад. Для этого берут воду и пропускают через нее электрический ток. На заре возникновения нашей планеты бесчисленные молнии, которые били в воду, помогали создавать первый кислород, когда живых существ на планете еще не было. С помощью электролиза воды получают кислород и водород. Последний сбрасывают в космос, ибо хранить его сложно, уж больно этот газ текуч и взрывоопасен. Из одного литра воды получается 600 литров кислорода, как раз на один день. Воду доставить в космос несколько легче, чем газ. Ей не требуются особые баллоны, она не горит и не взрывается, да и объема занимает намного меньше, чем газообразные субстанции. Такие системы образования кислорода и фильтрации углекислого газа неидеальны и не позволяют полностью закрыть потребности космонавтов, но все же они резко снижают необходимость в поставках кислорода с Земли.
Однако в ходе этих двух процессов – удаления СО2 и электролиза воды – мы несем потери: теряется два атома кислорода, а можно было бы ими подышать, да и водород просто выбрасывается в космос. Чтобы пресечь такое расточительство, можно провести реакцию Боша, в ходе которой углекислый газ, соединяясь с водородом, превращается в чистый углерод-графит и две молекулы воды, которые снова можно расщепить и сделать кислород. Но сама по себе реакция не пойдет, нужен катализатор, ускоряющий процесс. На нем будет оседать черный графит и выводить его из строя. Такой реактор пришлось бы постоянно чистить, а сам графит, если он улетучится в корабельный воздух, может вызвать пожар, попасть в системы жизнеобеспечения, создать замыкание, ведь он проводит ток. Поэтому, собственно, в космосе не используют графитовые карандаши, несмотря на популярный анекдот. Заставлять космонавтов по нескольку часов в день драить пластины катализатора негуманно, а потому такие реакторы не нашли применения. Но хрустальная мечта любого космического инженера – создать полностью замкнутую систему без потерь вещества, а значит, поиски альтернативных вариантов продолжились.
Кроме реакции Боша существует еще и реакция Сабатье, которая позволяет из углекислого газа и водорода создать метан и воду. Метан чистить не надо, его можно просто выпустить в космос, ведь это газ. Такие реакторы позволяют вернуть около 40–50 % кислорода обратно в систему. Пока не идеально, но уже очень неплохо.
В будущем было бы здорово и метан никуда не выбрасывать, а лепить из него, например, углеводы, которыми можно было бы кормить обитателей станции или использовать как топливо. В идеале нужно создать на космическом корабле такие условия, которые поддерживали бы жизнь внутри без притока вещества извне, сделать круговорот воды, газов и питательных веществ, который сам бы себя восполнял, как запечатанные стеклянные аквариумы с целой биосферой внутри, которая сама
