Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук

Хотя на Земле эти процессы не используются, так как самый дешевый способ нагрева – сжигание топлива, при котором выделяется больше углекислого газа, чем перерабатывается, но в будущем с использованием атомной энергии или других альтернативных источников эти реакции помогут решить экологические проблемы планеты. И, может быть, не только нашей. Когда речь заходит о терраформировании Марса, то есть о создании на Красной планете пригодных для жизни условий, в обсуждениях сразу всплывают эти интересные химические процессы.

Фильтры, поглотители и химические реакции не решают еще одной большой проблемы по очистке воздуха. Как и на Земле, на космической станции летает много пыли, волос, бактерий. В невесомости внутри замкнутого пространства – даже в большей степени. Новым словом техники стала система обеззараживания воздуха «Поток», создающая переменные электрические поля, которые стремятся разорвать атомы загрязнителей на заряженные частицы – электроны и ионы. Бактерии, вирусы, грибки и органические отходы при этом начинают то притягиваться друг к другу, то отталкиваться, и, как следствие, деформируются и разрушаются. Разделенные части притягиваются к электродам и осаждаются на специальные пластины. Впервые такой аппарат дезинфекции в космосе появится на станции «Мир» в 1995 году. После пожара в 1997 году, когда система в крайне сложной ситуации сильного задымления от прогоревшего пластика эффективно очистила воздух и позволила экипажу продолжить работу, ее начали внедрять намного активнее. На современной МКС «Потоков» шесть штук, их эффективность исследовалась в рамках эксперимента под названием «Ветерок». Этот прибор можно уже увидеть в больницах, школах, транспорте, угольных шахтах и просто в жилых помещениях.

Для этих же целей используются ионизаторы, люстры Чижевского, кварцевые лампы. На орбите проводили эксперименты и с подобными приборами тоже, но они не показали серьезного эффекта, если только не используется достаточно сильное ультрафиолетовое или радиоактивное излучение. В закрытых непроветриваемых пространствах ионизированный воздух может не только очищаться, но и негативно воздействовать на организм (например, в больницах в обрабатываемом помещении не должны находиться люди). Особый интерес к новым космическим приборам появился вместе с эпидемией коронавируса.

Для возобновления кислорода также были разработаны специальные системы. Самый простой способ добыть кислород – из воды. Если Н2О подвергнуть воздействию электрического тока, молекула разделяется на составляющие – водород и кислород. Эта реакция называется электролиз. Она была известна уже в XVIII веке, но применялась только в химических лабораториях. Для получения кислорода требовалось много условий, и даже при их выполнении скорость реакции была невысока. Для космоса придумали различные механизмы ускорения, например вода под давлением, никелевые катализаторы, покрытие электрических контактов (анод и катод) золотом, а также мембраны. Все это снижает связь атомов в молекуле или увеличивает пространство, где вода может подвергаться электролизу. Сейчас проводятся эксперименты с применением капиллярной подачи.

Системы, испытанные в космосе, получили названия «Вика», «Электрон» и «Янтарь». Все технологии отправились на заводы по производству водорода. А кислород на Земле добыть гораздо легче, чем в космосе. Также важно, чтобы вода для электролиза была очень чистой, но возить ее с Земли сложно. Инженеры предложили создать систему, обеспечивающую круговорот воды внутри космической станции. Все жидкости, что выделяет человек, собираются и очищаются. Пот, слезы, урина, вода после гигиенических процедур – все они собираются с помощью вентиляторов.

В случае пара, который берется из атмосферы станции, нужно провести процедуру конденсирования влаги. Она происходит благодаря простому охлаждению.

Методик очистки было придумано много: обратный осмос, ионный обмен, ультрафильтрация, метод мембранного испарения, метод анодного окисления и электродиализ, газогидратный метод и т. д. Во всех случаях сначала происходит процесс удаления крупного мусора, пыли, взвешенных веществ и других механических примесей посредством прогона воды через механические фильтры из пористых материалов, мембран или плотно уложенных либо вибрирующих струн. В некоторых экспериментах для отсеивания металлических пылинок пробовали использовать магнитное поле, но этот метод оказался неэффективным.

Впервые очищенную влагу из испарившегося пота и влажного воздуха выпили космонавты Георгий Гречко и Алексей Губарев на станции «Салют‐4» в 1975 году. Использовался фильтр, в котором помещалось 2,5 килограмма активированного угля, – так называемая сорбционная система, в которой загрязнители как бы прилипают к активированному углю. Дело в том, что в молекулах частиц электроны и ядра атомов притягиваются не только друг к другу, но и к молекулам других веществ. Твердые частички стремятся к другим твердым частичкам – к активированному углю в этом случае. Правда, такой метод не дает стопроцентной очистки, поэтому на первых станциях его применяли в ограниченном режиме с достаточно чистой водой. Позже технология совершенствовалась, создавались более эффективные марки сорбентов, а также применялись другие соединения, например гидроксид лития.

Также на станции «Мир» добавился каталитический метод. Он предполагал процесс окисления трудносорбируемых низкомолекулярных органических соединений. Сульфоугли, цеолиты, полимерные ионообменные смолы и еще десяток соединений могли вступать в химические реакции с загрязнителями и на выходе давать безопасные соли, которые легко сорбируются. Их испытывали не только на «Мире», но и на американских кораблях Space Shuttle. Специальные фильтры таким сорбционно-каталитическим методом очищали воду от 300 видов химических загрязнителей и почти всех органических. Интересным экспериментом был процесс каталитического окисления органических спиртов, где окислителем служил кислород.

На станции «Мир» было пять разных систем очистки воды, причем даже из туалета. Так, на борту был испытан метод обратного осмоса, предполагающий наличие полупроницаемой мембраны, которая пропускает только молекулы не больше определенного размера и способные активно двигаться, чтобы пройти сквозь атомы в кристаллической решетке мембраны. Само по себе пропускание воды через такой фильтр сильно уменьшит количество загрязнений, но не сведет их к минимуму. Вода в сосуде благодаря такому явлению, как осмос, будет стремиться попасть обратно туда, где концентрация загрязнителей больше, а давление меньше. Чтобы это предотвратить, грязную воду подвергают повышенному давлению, чтобы скомпенсировать обратный процесс. Этот метод оказался крайне эффективным, особенно в очищении от солей, и теперь используется в устройствах опреснения или для снижения загрязнения водоемов сточными выбросами.

В 2007 году NASA проспонсировало создание необычных «живых» мембран. Они представляли собой аквапорины – белки, позволяющие воде проходить через клеточные мембраны по одной молекуле за раз. Новый материал даже до запуска в космос взяли на вооружение предприятия в Индии для очистки сточных вод как прямым, так и обратным осмосом.

Еще один новый метод на станции «Мир» – электродиализ. По своей сути он похож на обратный осмос, только используется электрическое поле, которое не дает заряженным частицам и солям пройти сквозь мембрану. Хотя метод показался для космоса не самым эффективным – электрически нейтральные загрязнители сквозь мембрану все-таки проходят, – свое применение он