El análisis en profundidad de Luca Longo
Elimina el dióxido de carbono del aire: no solo para detener el cambio climático, sino para traer tu piel a casa. Este es el problema que ha plagado a los diseñadores de naves espaciales desde el comienzo de la era espacial.
Los constructores de cohetes tripulados se dieron cuenta desde el principio de que no era suficiente proporcionar a los cosmonautas y astronautas un flujo constante de oxígeno; dentro de la nave también fue necesario eliminar el dióxido de carbono producido por la tripulación. Este fue uno de los muchos problemas que enfrentaron los diseñadores por primera vez. De hecho, incluso en los submarinos de esa época, ambos problemas se resolvieron simplemente levantando tubos (esnórquel) sobre la superficie del mar para bombear aire fresco y expulsar el aire viciado: una solución que ciertamente no se puede utilizar en el espacio.
El oxígeno representa aproximadamente el 21% en volumen del aire que respiramos, pero el organismo humano puede sobrevivir bien incluso con concentraciones de hasta el 15-17%. Por debajo de este umbral comienza a producirse confusión y disminuye la capacidad de realizar esfuerzos físicos.
En cambio, el dióxido de carbono representa solo el 0,04% (400 partes por millón) de los gases presentes en la atmósfera. Pero si bien no nos damos cuenta de si la concentración de oxígeno cae incluso en unos pocos puntos porcentuales, tan pronto como el CO2 presente en el aire que inhalamos aumenta ligeramente, nuestro cuerpo reacciona de inmediato aumentando la frecuencia de la respiración. Algunas personas comienzan a sentir los primeros síntomas (irritabilidad y confusión) alrededor del 0,5% en volumen, mientras que todas sienten un fuerte mareo cuando la concentración de CO2 en el aire se eleva al 1%.
Por esta razón, además de contar con cilindros de oxígeno para reemplazar el consumido por los astronautas, todos los transbordadores espaciales están equipados con sistemas para la captura y eliminación de dióxido de carbono: depuradores. Cada uno de ellos debe poder eliminar el CO2 emitido por cada miembro de la tripulación de la atmósfera del transbordador: alrededor de un kilogramo cada 24 horas.
Durante los programas Mercury, Gemini, Apollo y Shuttle, la NASA empleó depuradores químicos. El aire de la cabina se bombeó a cestas porosas llenas de hidróxido de litio cristalino (LiOH). El CO2 reaccionó formando carbonato de litio y agua y el aire limpio se enriqueció con oxígeno extraído de cilindros a presión y reintroducido en la cabina. El problema era que estos filtros tenían que ser reemplazados periódicamente cuando el hidróxido de litio se había convertido completamente en carbonato.
El sistema no fue muy práctico y creó problemas durante la misión Apolo 13, cuando los astronautas (refugiados en el módulo de aterrizaje debido a la falla de la cápsula principal causada por la explosión de las celdas de combustible en el módulo de servicio) se vieron obligados a adaptarse. los contenedores cuadrados desarrollados por North American Aviation para el módulo de mando a las carcasas redondas fabricadas por Grumman para el módulo lunar.
Los soviéticos lograron todos sus primates espaciales gracias a un sistema diferente a este. Ya en el Sputnik 2 de Laika y el Vostok 1 de Gagarin, el oxígeno no se almacenaba como gas bajo presión sino en estado sólido como superóxido de potasio (KO2). El aire viciado, pobre en oxígeno y conteniendo dióxido de carbono y humedad que emanaba de la tripulación, fue enviado al contenedor de KO2 provocando una reacción exotérmica que capturó el agua liberando oxígeno e hidróxido de potasio (KOH). El oxígeno reemplazó al respirado por los cosmonautas mientras que el KOH reaccionaba con el CO2 para formar carbonato de potasio. De esta forma, se eliminó el dióxido de carbono y el agua producidos por la respiración, se mantuvieron calientes los instrumentos y se regeneró el oxígeno necesario. Solo se necesitaba electricidad para la bomba, había muy pocas partes móviles que pudieran romperse y no había gas a presión.
El sistema funcionó bien y con unas dimensiones y un peso tan reducidos que el primer Vostok 1 habría permitido a Gagarin respirar con normalidad durante 12 días, tiempo necesario para una reentrada balística a la atmósfera en el caso de que los cohetes para el abandono de órbita no lo hicieran. encender.
El departamento OKB-124, que había diseñado este depurador multifunción junto con los técnicos de la marina soviética, lo aplicó posteriormente a los Voskhods, Soyuzs y también a los submarinos, que gracias a este invento y al motor nuclear pudieron así permanecer sumergidos durante meses.
El problema de cómo construir depuradores eficientes resurgió cuando se lanzaron las primeras estaciones espaciales permanentes. No es posible imaginar equipar cada uno con una gran cantidad de cestas "desechables" que contengan KO2 o LiOH. Por este motivo se han abandonado los depuradores químicos utilizados en las góndolas para desarrollar sistemas de adsorción.
Estos tienen en su interior un sólido poroso muy similar al dióxido de carbono. Se bombea aire viciado sobre él y el dióxido de carbono se adhiere a él. Cuando este whisky molecular está saturado de CO2, basta con cerrar las válvulas que conectan con la cabina, abrirlas al exterior para que el CO2 salga y se disperse en el vacío del espacio. El material ahora está listo para un nuevo ciclo de adsorción. El mismo sistema se utiliza para extraer el agua que emite la respiración de la tripulación.
Primero en Skylab, la estación espacial desarrollada por Estados Unidos, y luego en la sección estadounidense de la Estación Espacial Internacional (ISS), se instalaron depuradores a base de dióxido de silicio y cristales de aluminio llamados zeolitas. Se trata de tamices moleculares con orificios de dimensiones precisas hechos a medida para tener la máxima afinidad posible por moléculas de un determinado tamaño. En particular, los estadounidenses usan zeolita 13x (perfecta para absorber agua) en combinación con zeolita 5A (optimizada para absorber dióxido de carbono).
Dos de estos sistemas, llamados Ensamblaje de Eliminación de Dióxido de Carbono (Cdra), están presentes tanto en el Nodo 3 como en el laboratorio Tranquility en la sección estadounidense. Cada par de depuradores funciona en conjunto: mientras uno de los dos adsorbe H2O y CO2 desde el interior de la estación, el otro se expone al vacío externo y se deshace de lo que absorbió en el ciclo anterior. El sistema es bastante complejo y, si se usa continuamente, requiere un mantenimiento periódico porque las zeolitas, en forma de bolas, tienden a ser expulsadas por los lechos de adsorción y dañan las turbinas. Además, el polvo de zeolita tiende a acumularse en los conductos y provocar cortocircuitos.
El sistema CDRA es capaz de mantener una tripulación de 4 personas más algunos conejillos de indias de laboratorio con una respiración total de 1,25 seres humanos.
Los rusos han adoptado un sistema diferente, llamado Vozdukh e instalado en el módulo de servicio del segmento orbital ruso, que adsorbe H2O y CO2 gracias a las propiedades básicas de tres lechos de amina diferentes. La tecnología, más simple y sin partes móviles excepto válvulas, se deriva de la experiencia de los soviéticos en las seis estaciones espaciales de Salyut y luego en el MIR. La última versión, instalada a bordo de la ISS, puede mantener indefinidamente a una tripulación de 6 personas mediante la eliminación de 3000 litros de dióxido de carbono por día.
El sistema general de la ISS es muy redundante: Vozdukh representa el sistema principal, mientras que Cdra interviene cuando Vozdukh está en mantenimiento. Si todos los sistemas fallaran al mismo tiempo, en la Soyuz, siempre conectada a la ISS, hay depuradores químicos del tipo antiguo, pero siempre capaces de soportar una tripulación de tres personas durante 15 días cada uno. Después de la experiencia con el Apollo 13, para no dejar nada al azar, en los Shuttles que llegaron a la ISS hasta 2011, también se dispuso de adaptadores capaces de conectar y operar los depuradores estadounidenses con cestas rusas.
Otro paso de gigante que tendrán que afrontar los exploradores del cosmos será la creación de estaciones espaciales o colonias permanentes – empezando por la Luna y Marte – en las que los sistemas de purificación deberán mantener un hábitat habitable de forma indefinida.
En la Luna, desprovista de atmósfera, sería posible utilizar los depuradores de dos tiempos desarrollados en la ISS, pero en Marte el problema es complicado porque la atmósfera marciana está formada casi en su totalidad por CO2, un lecho adsorbente expuesto a la La atmósfera marciana no se recuperaría pero, por el contrario, quedaría completamente envenenada por la sobrepresión de dióxido de carbono.
Por esta razón, a bordo del rover Perseverance, lanzado el 30 de julio de 2020 y que debería llegar al planeta rojo el 18 de febrero de 2021 con la misión MARS 2020 , el MIT y el Instituto Niels Bohr han instalado el Experimento de utilización de recursos in situ de oxígeno en Marte. (MOXIE). Esta planta experimental debería demostrar la posibilidad de convertir, gracias a la energía suministrada por el rover, el CO2 atmosférico marciano en monóxido de carbono y oxígeno con un electrolizador de estado sólido similar a los que convierten el agua en hidrógeno y oxígeno. De esta forma, teniendo siempre una fuente de energía disponible, sería posible obtener oxígeno directamente en la superficie de Marte en lugar de transportarlo en cilindros.
Un proceso que ya ha sido probado en la ISS es el proceso Sabatier. Esto transforma la humedad que desprende la tripulación en hidrógeno y oxígeno gracias a un electrolizador. Luego, la tripulación puede inhalar el oxígeno o convertirse en combustible en los sistemas de propulsión. El hidrógeno, en cambio, se combina con el dióxido de carbono producido por la tripulación para obtener metano y agua mediante un proceso catalítico a base de níquel (un catalizador a cero km: está suficientemente presente en las rocas marcianas). Luego, el metano se puede mezclar con oxígeno en el sistema de propulsión. La estequiometría nos dice que incluso un pequeño porcentaje de oxígeno adicional permanece utilizable para el sustento de la tripulación.
Todas estas tecnologías pueden funcionar durante las fases de construcción de la colonia, pero cuando la colonia esté en funcionamiento y los colonos tengan que aprender a valerse por sí mismos indefinidamente sin suministros de la Tierra, probablemente la mejor tecnología de regeneración de aire serán los sistemas biológicos. Este último, una vez iniciado, tendrá la ventaja de no requerir un mantenimiento profundo gracias a la capacidad de multiplicación y autorreparación de los mismos organismos biológicos. Hablaremos de ello nuevamente pronto.
Ya hoy podemos soñar despiertos colonias espaciales equipadas con enormes invernaderos llenos de pastos, árboles o algas, construidas no solo sobre planetas y satélites, sino también a bordo de gigantes naves espaciales destinadas a la "exploración de nuevos mundos, en busca de otras formas de vida y civilización". para llegar a donde ningún hombre ha ido antes ".
Artículo publicado en eni.com
Esta es una traducción automática de una publicación publicada en StartMag en la URL https://www.startmag.it/energia/come-eliminare-anidride-carbonica-nelle-navi-spaziali/ el Sat, 30 Jan 2021 06:39:19 +0000.