На корабле поколений людям, живущим на нем, нужен кислород, много кислорода. Больше, чем они реально могут нести, поэтому корабль поколений должен быть в состоянии создавать пригодный для дыхания воздух из относительно распространенных материалов и элементов, найденных в космосе.
Как корабль генерации обеспечивает кислородом людей внутри него? На какие общие элементы может опираться корабль, чтобы обеспечить, скажем, 100 миллионов человек пригодным для дыхания воздухом в течение неопределенного времени?
Системы жизнеобеспечения замкнутого цикла (CLSS) — единственный способ отправиться в длительное космическое путешествие или даже на космические станции и колонии, вращающиеся вокруг Солнца. Как уже отмечалось, реальная проблема заключается в восполнении убытков, поскольку ни одна система никогда не будет эффективна на 100%.
Одним из ключевых элементов любого типа CLSS должна быть вода. Вода необходима для жизненных процессов всего, что находится на борту. Поток сточных вод будет перерабатываться, чтобы обеспечить растения питательными веществами (как водорослями, так и пищевыми растениями), затем очищенная вода возвращается для питья и других целей на стороне человека/животных в системе.
Так что кораблю нужны миллионы литров воды для системы. Дополнительную воду можно нести для буферизации системы, в качестве защиты от радиации или теплоотвода и для других целей на борту корабля. Один из самых удобных способов носить всю эту воду — в виде льда. Энтони Зупперо разработал простую конструкцию в форме пончика или шины, в которой лед используется как в качестве конструкционного материала, так и в качестве резервуара для всех потребностей экипажа в воде. В случае какой-либо катастрофы, которая выведет из строя CLSS, лед можно растопить и подвергнуть электролизу с выделением водорода и кислорода, при этом кислород будет добавлен в атмосферу. Между прочим, реальная опасность в замкнутом пространстве не в том, что у вас закончился кислород, а в том, что вы отравлены скоплением CO2.
Наиболее распространенным решением для этого подхода является попытка отразить биосферу Земли. Поскольку вам нужны вода, еда и воздух, вам нужно решение, обеспечивающее все 3.
Гидропоника (и тесно связанная с ней аэропоника-близнец) — отличный способ обеспечить пищу и воздух: вы выращиваете съедобные растения (особенно растения с зелеными листьями), которые по мере роста потребляют выдыхаемый вами CO 2 и превращают его обратно в пригодный для дыхания кислород. . В настоящее время водоросли и некоторые бактерии демонстрируют большие перспективы для выполнения этой роли. Вода перерабатывается и используется повторно, как и в круговороте воды на Земле.
Вы можете дополнить это механическими и/или химическими процессами, которые также расщепляют выдыхаемый CO 2 и высвобождают кислород обратно в системы корабля.
К сожалению, ни одна рукотворная биосфера не может быть на 100% эффективна, и ни один сосуд под давлением не может быть сделан на 100% герметичным, поэтому вам придется дополнительно носить с собой баллоны со сжатым кислородом, чтобы компенсировать потери в ваших путешествиях. Вы сможете собирать небольшое количество водорода и кислорода с помощью чего-то похожего на бараний совок , хотя без встроенной рециркуляции CO 2 и воды вы не сможете собрать достаточно, чтобы выжить.
Если ваш корабль направляется к следующей звездной системе, это почти все; если вы можете останавливаться на других звездах по пути (что всегда будет большим обходным путем, но, тем не менее, может потребоваться достаточно долгое путешествие), вы, вероятно, сможете собирать базовые материалы в системе, но это будет сложно, дорого, отнимает много времени, и вам придется перевозить большое количество тяжелого оборудования, которое занимает больше места и массы более 99,999 % всего пути.
Генераторному кораблю, перевозящему один миллион человек в течение неопределенного периода времени, потребуется перевозить или генерировать как минимум 550 000 000 литров топлива. в день. Смешано, чтобы соответствовать соотношению атмосферы Земли, в котором составляет 21% воздуха, это минимальная емкость атмосферы 2 620 000 000 литров.
Если предположить, что это классический корабль с вращающимся цилиндром, то это цилиндр примерно 3000 км в длину и 1050 км в поперечнике. Такой корабль будет иметь площадь внутренней поверхности 11 700 000 кв. , так что-то между Канадой и Антарктидой по размерам. Опять же, это абсолютный минимум — то есть нулевая избыточность, нулевые отходы, нулевые потери — для поддержки одного миллиона взрослых, дышащих воздухом.
99 % межзвездной среды по массе составляет газ, из них 70 % — водород и 28 % — гелий. Кислород составляет следовые количества – менее 1000 молекул на в лучшем случае; недостаточно собрать урожай в пути , чтобы изменить ситуацию. За исключением синтеза этих молекул H и He, вам придется взять с собой весь кислород, который вам нужен, в той или иной форме.
К счастью, людям и растениям для жизни тоже нужна вода, а в воде есть кислород.
Чтобы эти люди дышали, вам придется смоделировать или приблизить естественный кислородный цикл на Земле:
В частности, этапы водорода и кислорода. Единственные входные данные, которые нужны этой системе, — это свет, обеспечивающий фотосинтез, которого можно добиться искусственно, и пополнение любого потерянного водорода.
Из той же статьи в Википедии, ссылка на которую приведена выше, на углеродный цикл приходится 99% кислорода, хранящегося в горных породах; вашему кораблю потребуется как можно больше кислорода, производимого и циркулирующего, и он не может оправдать пространство и массу, которые потребуются для замещения коры количеством горных пород и минералов, или время, поэтому этот шаг нужно будет пропустить.
«Светозависимая реакция» на приведенной выше диаграмме — это фотосинтез — растения, сочетающие (углекислый газ) с (вода) и свет для производства (сахар – глюкоза) и (кислород).
На Земле Амазонка производит более 20% всего кислорода в результате фотосинтеза — 20% из 165 000 000 000 000 литров; см. таблицу 2 по ссылке выше - в районе примерно 5 500 000 . Это в десятки тысяч раз больше кислорода, чем вам нужно, произведенного на площади, равной половине размера описанного цилиндра.
(Есть еще один способ получения кислорода, называемый фотолизом — ультрафиолетовым излучением, разрушающим на составные части; поглощаться/собираться, свободный кислород соединяется с – но на Земле он не производит и 0,001% мы дышим, поэтому мы, вероятно, не должны учитывать это в этой ситуации.)
Вы абсолютно не будете набирать свежий воздух по пути. Элементы будут перерабатываться, а атомы (включая кислород) использоваться снова и снова. В идеале вам нужно только добавить энергии . Другими потерями нужно управлять, чтобы у вас было достаточно атомов, чтобы продержаться. На скорости пополнение запасов в пути невозможно, даже если вы проедете мимо чего-то в межзвездном пространстве. Замедление — это основная часть вашего энергетического бюджета, поэтому вы делаете это только один раз, когда прибываете.
Замкнутая система жизнеобеспечения — это либо сложная химическая фабрика, либо небольшая экосистема. Поскольку вы указали 100 миллионов человек, это довольно большой масштаб и определенно экосистема .
Любой ценой вам нужны замкнутые циклы, которые обычно поддерживают и регулируют себя, а также ремонтируют и воспроизводят компоненты. Вам нужна массивная избыточность небольших единиц, а не огромных машин.
Итак, мы говорим о живых организмах. Если какая-то нанофабрика будет спроектирована, вопрос о том, является ли она чем-то иным, чем бактерией или другой клеткой, является спорным, поскольку она имеет все основные черты естественной жизни.
Вам понадобятся пруды, которые циркулируют сами по себе, а не сложные насосы и трубы. Все в конечном итоге будет выглядеть как дикая природа , включая «деревья» и «грибы», которые на самом деле являются инженерными технологиями, а большая часть производства кислорода осуществляется морскими водорослями.
Algea Aero/гидропоника растет достаточно быстро, кормит ваше население, вычищает CO2 и производит кислород...
Но на самом деле водород, кислород и/или вода повсюду в космосе. Ваш корабль может даже работать на термоядерном реакторе, производящем воду, энергию и кислород.
По определению, корабль поколений автономен на протяжении всего своего путешествия. За очень немногими исключениями, если используются точные научные данные, система должна быть полностью закрытой, с небольшими потерями или без них. В том числе О2. Перерабатывать. Каждая возможная молекула O2 должна найти обратный путь. Да, вы должны также включить ржавчину в свои предположения...
Разумеется, все системы рециркуляции тоже должны быть замкнутыми, чтобы все отходы и катализаторы можно было где-то повторно использовать, иначе ЭТО закончилось.
Отсюда и трудности с замкнутыми системами...
ИЛИ, если вы преувеличиваете научность своей фантастики, вы можете получить кислород как побочный продукт термоядерного синтеза...
Сегодня на атомных подводных лодках есть системы, которые могут удалять углекислый газ из воздуха, называемые скрубберами. Однако они производят свой кислород путем электролиза воды, а космический корабль не может этого сделать. Разрабатывается ряд новых технологий для улавливания углекислого газа из атмосферы, в том числе прозрачные трубки, заполненные фотосинтезирующими водорослями (в Университете Кентукки), чтобы максимально эффективно использовать пространство.
Ваш космический корабль должен будет перерабатывать атомы углерода и кислорода на борту, потому что он не может их заменить. Это означает, что он использует какой-то процесс, который потребляет энергию для преобразования углекислого газа и других отходов в кислород плюс полезные органические молекулы, такие как пища. Это могут быть растения, как на Земле, или это может быть химическая технология, позволяющая производить практически те же конечные продукты. Например, ультрафиолетовый свет может расщеплять углекислый газ на углерод и кислород , или можно использовать углерод, кислород и водород для синтеза сложных органических молекул. Большинству нефтеперерабатывающих заводов в качестве исходного материала требуется ископаемое топливо, но теперь это также можно сделать с помощью электричества, воды и углекислого газа для производства «голубой нефти».
Кислород — не единственная проблема при создании пригодной для дыхания среды.
В этом ответе используются только возможные в настоящее время или существующие технологии.
В то время как астронавты в программах Близнецы и Аполлон дышали 100-процентным кислородом при пониженном давлении в течение двух недель без каких-либо проблем, дышать чистым кислородом при давлении на уровне земли нецелесообразно с медицинской точки зрения (помните, что эти астронавты были специально обучены и находились в отличной физической форме). . Атмосфера Земли состоит всего на ~20% из кислорода, к которому наши тела приспособились.
Кислородная токсичность представляет собой очень реальный риск при полетах человека в космос (чистый кислород также очень взрывоопасен). Соответственно, в большинстве современных космических полетов (таких как миссии на МКС, Skylab, Space Shuttle и Orion MPCV) большое значение придается введению разбавителей азота, а также кислорода (исключение: в скафандрах используется чистый кислород при самом низком давлении накачки).
Кислород в значительной степени пригоден для вторичной переработки, во многих других комментариях описаны хорошие методы его переработки. Кислород является третьим наиболее распространенным элементом в Млечном Пути с массой ~ 1,04%, поэтому для его сбора и возвращения на более крупный корабль-жилище со 100 миллионами человек могут быть отправлены небольшие корабли.
Есть несколько реалистичных решений для разбавления кислорода, но они имеют компромиссы.
Азот, седьмой по распространенности элемент, составляет 1/10 от распространенности кислорода и составляет ~ 0,096% массы, что делает нереальным его сбор во время космических путешествий, и относительно тяжел по сравнению с гелием и водородом, в ~ 7 и 14 раз тяжелее соответственно. .
Гелий используется в качестве разбавителя в некоторых устройствах для глубоководных погружений (он же Heliox). Гелий очень распространен в Млечном Пути (второй по распространенности элемент с ~ 24% массы). Однако есть 3 существенные, но решаемые проблемы с гелием из-за его низкой молекулярной массы. 1) Не подходит для надувания сухого костюма (плохая теплоизоляция). 2) Ослабляет, но не препятствует общению (скорость звука выше в газе с меньшей молекулярной массой, что увеличивает резонансную частоту голосовых связок). 3) Вероятно, наиболее проблематичным, но все же решаемым является то, что утечки гелия встречаются гораздо чаще, чем другие газы. Атомы гелия меньше, что позволяет им проходить через меньшие зазоры в уплотнениях.
Водород является наиболее распространенным элементом с массой ~ 74% в Млечном Пути и использовался в газовых смесях для глубоководных погружений (также известных как Hydrox), но он очень взрывоопасен при смешивании с более чем 4-5% кислорода. Использование кислородных смесей от 4 до 5% ограничено глубокими погружениями (также имеет те же проблемы со связью, что и Гелий). Вы можете использовать безопасную 5-процентную кислородную смесь в кабине высокого давления (будут возникать побочные эффекты) или иметь какую-то маску, которая отфильтровывает часть водорода при дыхании, чтобы смесь, поступающая в организм, содержала достаточное количество кислорода, а окружающая среда - нет. очень нестабилен. (Вы можете использовать ~ 20% кислородную смесь и просто убедиться, что ее абсолютно ничего не раздражает)
Кислород Только если разбавитель абсолютно не может быть использован, есть несколько вариантов. Эксплуатация его при давлении примерно 1/3 от земного атмосферного давления поддержит жизнь некоторых пассажиров в пиковом физическом состоянии, но у других возникнет либо дыхательная недостаточность, либо такие состояния, как: венозная / сосудистая воздушная эмболия, отравление кислородом легких, окислительный стресс, усугубляющий существующие условия. , ретинопатия, гипоксия, обструктивная болезнь легких. Чистый кислород взрывоопасен даже при более низких давлениях.
Небольшое замечание о влажности
Газ обычно сжимают для хранения, что удаляет из него влагу, хотя обычно это не смертельно, но вызывает обезвоживание, поэтому, вероятно, лучше повторно увлажнять воздух.
Отказ от ответственности: я не инструктор по дайвингу, если вы собираетесь использовать эту информацию для дайвинга, сначала проконсультируйтесь с инструктором по дайвингу. Представленная медицинская информация обобщается, обратитесь к врачу. Не используйте это как медицинский совет или мнение
https://en.wikipedia.org/wiki/Life_support_system#Atmosphere https://en.wikipedia.org/wiki/Abundance_of_the_chemical_elements#Universe https://en.wikipedia.org/wiki/Breathing_gas#Helium https://en .wikipedia.org/wiki/Breathing_gas#Hydrogen https://www.sae.org/publications/technical-papers/content/2005-01-2896/
Вы должны растянуть некоторые законы физики
Если вам нужен настоящий космический корабль (например, ничего вокруг вас, даже астероидов, на сотни световых лет) , ваша команда обречена . С некоторой скоростью ваш корабль будет излучать энергию в виде излучения вокруг вас, которое со временем будет накапливаться. Кроме того, по сравнению с космическим вакуумом вы будете терять небольшие молекулярные газы прямо через свой корпус ! Эта потеря будет в основном в виде водорода, по которому вы не будете сильно скучать, пока ваши запасы воды не начнут иссякать.
Если немного растянуть науку...
Возможно, вы могли бы найти способ обнаруживать и отслеживать астероиды и даже планеты-изгои за пределами Солнечной системы. Вы подбираете и обрабатываете эти источники по мере того, как пополняете запасы. Будучи кораблем поколений, планеты, с которыми вы сталкиваетесь, по-видимому, не подходят для проживания людей, но они все еще могут содержать лед и другие элементы / минералы, которые вам нужны. Реальным примером такой планеты может быть Европа.
Что касается основной проблемы, заключающейся в том, что ваши источники энергии в какой-то момент закончатся... ну, я не буду упоминать об этом, если вы этого не сделаете.
Сербан Танаса
Арвекс