Интенсификация физико-химических процессов СВЧ-энергией в регенерационной системе жизнеобеспечения экипажа космического корабля (31.08.2009)

Автор: Климарев Сергей Иванович

знак (-( - означает отсутствие микроорганизмов в воде;

знак ((( - означает наличие микроорганизмов в воде ниже 100 КОЕ/мл;

знак (+( - означает наличие микроорганизмов в воде выше 100 КОЕ/мл.

Известно, что одним из ответственных этапов при реализации длительных космических полетов (включая и полет на Марс) является предстартовый период. В комплекс мероприятий в этот период входит и обеспечение инфекционной безопасности как основного и резервного экипажей, так и специалистов комплексной экспедиции, непосредственно контактирующих с членами экипажей

На космодроме "Байконур" совместно с НИИХИММАШ была смонтирована двухконтурная, опытная установка водоподготовки с СВЧ-стерилизацией и нагревом питьевой воды в устройстве с плоским каналом (см. рис. 11).

Рис. 11. Конструкция проходного СВЧ-устройства с плоским каналом

1 – канал для прохода водной среды; 2 – волновод; 3 – запредельное устройство; 4 – штуцер. S – высота канала; L – ширина канала.

Процесс приготовления питьевой воды осуществлялся по следующей технологической схеме: водопроводная (хозяйственная) вода из магистрали подавалась в дистиллятор, из которого со скоростью 22-25 л/ч сливалась в накопительную емкость до заполнения; затем в накопительную емкость вводился раствор ионного серебра с учетом конечной концентрации 0,3-0,5 мг/л питьевой воды (первый контур); после этого в эту же емкость вводился минерализатор "Аквасоль" в виде рассола, предварительно доведенного до кипения в микроволновой печи "Электроника"; на заключительном этапе водоподготовки вода механически перемешивалась и выстаивалась, после чего переливалась в емкость, расположенную в холодильнике, и использовалась для питья как комнатной температуры, так и охлажденной.

Во втором контуре вода после дистиллятора также сливалась в накопительную емкость с добавлением "Аквасоли", но раствор ионного серебра вводился на порядок меньше, чем в первом контуре, из расчета 0,03-0,05 мг/л питьевой воды. После перемешивания и выстаивания питьевая вода дополнительно подвергалась СВЧ-воздействию в момент перекачки ее из накопительной емкости в емкость в холодильнике. В этом контуре могла использоваться как горячая вода, вода после теплообменника комнатной температуры, а также охлажденная из холодильника для питья и приготовления напитков.

Дополнительно во втором контуре были проведены исследования по СВЧ-обеззараживанию воды в потоке, контаминированной аналогом вирусной инфекции фагом mS-2. Отбор проб на анализ производился при постоянной температуре воды 80(С.

Результаты анализов, проведенных Центральной научно-исследовательской лабораторией лечебно-оздоровительного объединения при кабинете министров СССР, показали высокую эпидемиологическую безопасность питьевой воды по вирусному компоненту биологического фактора.

Решением Межведомственной Государственной комиссии приготовленная в установке питьевая вода была рекомендована для употребления в предстартовый период основным и резервным экипажами экспедиций на орбитальный комплекс "МИР" с ЭО-7 по ЭО-15, включая космонавтов из Японии, Англии, Франции.

В главе 4 дана оценка схемы совместной работы узлов и блоков регенерационной физико-химической системы жизнеобеспечения с использованием СВЧ-энергии.

Рассмотрен вариант системы, содержащей в общем виде жилой отсек, систему очистки от диоксида углерода и вредных микропримесей, концентратор диоксида углерода, систему переработки диоксида углерода и водорода, блок электролитического разложения воды, систему регенерации твердых и жидких отходов, сборник питьевой воды, сборник метаболической воды и сборник отходов (Гришаенков Б.Г., 1975).

Общими с функционирующей на МКС СЖО являются практически все узлы и блоки системы за исключением системы переработки диоксида углерода и водорода и концентратора диоксида углерода. Из этого следует, что для создания варианта максимально замкнутой СЖО необходимо разработать недостающие звенья этой системы.

В такую систему для согласования взаимодействия материальных потоков между блоком электролитического разложения воды и системой переработки диоксида углерода и водорода дополнительно введен аккумулятор водорода. Такая компоновка узлов и блоков позволяет в необходимый для этого момент времени направить диоксид углерода и водород в систему их переработки с целью получения воды.

Другой вариант системы предусматривает использование для переработки диоксида углерода и водорода двухстадийный процесс Боша по разрядно-каталитической схеме. Для реализации первой стадии (гидрирования диоксида углерода) используется тлеющий или комбинированный разряд. В зависимости от условий жизнедеятельности и количества членов экипажа может использоваться либо тлеющий разряд, либо его комбинация с СВЧ-разрядом. Во второй стадии с получением углерода может применяться железо-кобальтовый катализатор. Поддержание температуры катализатора (400-500оС) предлагается осуществлять потоком нагретых в первой стадии смеси газов.

Нарушение любого из этих условий приведет к накоплению в циркуляционном контуре инертного газа или одной из компонент (диоксида углерода или водорода), в результате чего производительность будет непрерывно уменьшаться и, в конечном итоге, упадет до нуля.

Еще одной проблемой данного процесса является удаление образующегося углерода из замкнутой циркуляционной газовой системы, что сводит до минимума использование его в реальной системе.

Этот вариант системы не исключает проведение только стадии гидрирования диоксида углерода с удалением за борт КК оксида углерода и водорода.

В следующем варианте системы предлагается исключить вторую стадию с образованием углерода и ограничиться первой стадией процесса Боша – гидрированием диоксида углерода. Блок-схема системы показана на рис. 12.

СО2 из системы очистки

Концентратор СО2 в систему очистки

О2 в жилой отсек Н2О метаболическая

О2 в жилой отсек СО2 СО2

СО2,Н2,СО СО2,Н2

Н2 Аккумулятор Н2 Дожигатель Сорбер

Н2О(Н2+1/2О2 Н2 СО2+Н2=СО+Н2О СО Н2

Рис. 12. Блок-схема системы с гидрированием диоксида углерода и дожиганием оксида углерода (остальные узлы и блоки системы жизнеобеспечения условно не показаны)

Схема этого варианта системы состоит из следующих основных узлов и блоков: электролизера; аккумулятора водорода; плазмотрона для переработки диоксида углерода и водорода в комбинированном СВЧ- и тлеющем разряде (стадия гидрирования); дожигателя оксида углерода на палладиевом катализаторе; поглотителя водорода из газовой смеси. В этой блок-схеме предполагается дополнительно использовать систему резервирования кислорода, которая условно обозначена в этой схеме как адсорбер кислорода (Смирнов И.А. и др., 2008). В целом эта система состоит из электрохимического генератора и батареи аппаратов – адсорбционных аккумуляторов кислорода. В этой системе кислород получают от электрохимического генератора, после которого основная часть кислорода поступает в жилой отсек, а неиспользованная часть подается в адсорбционный аккумулятор кислорода, заполненный специальным поглотителем. Кислород при этом аккумулируется с небольшим избыточным давлением и в количестве, значительно большем, чем в баллоне под давлением. Учитывая, что в предлагаемом варианте системы уже присутствует электролизер, представляется целесообразным от системы получения и резервирования кислорода использовать только адсорбционный аккумулятор кислорода.

Процесс переработки диоксида углерода и водорода по предлагаемой блок- схеме осуществляется в два этапа. Первый этап включает в себя процесс аккумулирования водорода, концентрирования диоксида углерода и аккумулирования кислорода соответствующими узлами и блоками. Второй этап обеспечивает переработку диоксида углерода и водорода по проточной схеме с дожиганием образовавшегося оксида углерода на палладиевом катализаторе.

Второй этап проводится в следующей последовательности: вначале электрическая энергия подводится к аккумулятору водорода для нагрева, а после этого переключается к СВЧ-генератору для нагрева адсорбента в концентраторе диоксида углерода; по достижении давления в этих блоках в несколько атмосфер, диоксид углерода из концентратора и водород из аккумулятора в соотношении 1:2 соответственно подаются в плазмотрон для их переработки в комбинированном тлеющем и СВЧ-разряде, при этом электрическая энергия переключается уже к блокам питания СВЧ-генератора плазмотрона и тлеющего разряда; после конденсации и отделения воды газовая смесь, содержащая непрореагировавшие диоксид углерода и водород, а также оксид углерода и избыточный водород, поступает в дожигатель оксида углерода; в это же время из адсорбера кислорода в дожигатель оксида углерода направляется недостающий кислород для окисления оксида углерода до диоксида углерода; на заключительном этапе смесь диоксида углерода и водорода проходит через поглотитель водорода, после которого диоксид углерода возвращается в систему очистки от микропримесей и диоксида углерода, а водород после нагрева своего поглотителя возвращается в аккумулятор водорода.

В численном выражении при температуре переработки диоксида углерода и водорода ~ 1200оС степень превращения диоксида углерода ( составляет 80,0% (см. рис. 1) при объеме диоксида углерода 15,0 л, водорода 30,0 л и газовых продуктов реакции и непрореагировавших газов 33,0 л.

= 6,0 л.

= 3,0 л. Итого: 12,0+3,0=15,0 л.

После дожигателя оксида углерода смесь диоксида углерода (15,0 л) и непрореагировавшего водорода (18,0 л) поступает в поглотитель водорода, после которого диоксид углерода направляется в систему очистки от микропримесей и диоксида углерода, а поглощенный водород – в аккумулятор водорода. Затем наступает пауза в работе системы до полного насыщения концентратора диоксида углерода и цикл повторяется. В промежутках между циклами СВЧ-энергия используется, например, для обеззараживания и нагрева воды.

Таким образом, предложенный вариант системы позволяет не только вернуть в цикл диоксид углерода и водород, но и удалять их за борт при необходимости, направлять диоксид углерода в оранжерею для питания растений, а также использовать продукты реакции гидрирования для химического синтеза пищи.

В Заключении приведено обсуждение результатов экспериментальных исследований и сформулированы выводы.

Реализация цели исследований предполагает создание и разработку технологических основ для формирования СОГС и СРВ с использованием СВЧ-энергии как составной части варианта СЖО нового поколения.

Анализ методов переработки диоксида углерода и водорода позволил сделать выбор в пользу проведения процесса Боша, т.к. в этом случае диоксид углерода и водород можно вернуть обратно в цикл. При этом в данном случае считается целесообразным ограничиться первой стадией процесса - гидрированием диоксида углерода -, чтобы избежать второй стадии - образование углерода на катализаторе, удаление которого из газовой коммуникации представляет определенные неудобства, особенно в условиях невесомости.


загрузка...