Путь воды: зачем привозят и где хранят на МКС воду
Среди грузов, которые «Прогресс МС» доставляет на Международную космическую станцию (МКС), — питьевая вода. Обычно ее заливают в баки системы «Родник», но иногда и в переносные емкости в грузовом отсеке. Однако водообеспечение комплекса не ограничивается пополнением запасов с Земли: часть воды экипаж получает благодаря ее восстановлению на борту. Зачем воду доставляют на МКС, где хранят и как расходуют? Проследим этот путь на примере российского сегмента станции.
Для чего нужна вода на МКС
Вода нужна экипажу МКС каждый день — для питья, приготовления пищи и личной гигиены. От нее зависит и пополнение запаса кислорода для дыхания. Необходимое количество рассчитывают с учетом численности экипажа, продолжительности полета и расхода на работу оборудования. Помимо повседневных потребностей, предусматривают резерв на случай перебоев в снабжении или отказа установок регенерации воды.
Значительная часть повседневного расхода связана с питьем и едой. Некоторые продукты доставляют на станцию в сублимированном виде: высушенная пища меньше весит и дольше хранится. Чтобы превратить содержимое упаковки в готовое блюдо, космонавт добавляет в пакет порцию воды. Она нужна и для приготовления чая, кофе и других напитков. На питье и восстановление пищи предусматривают примерно 2,5 литра на человека в сутки.
Кроме того, из воды на МКС получают кислород для дыхания. На российском сегменте эту задачу выполняет система «Электрон-ВМ»: с помощью электрического тока она разделяет воду на газообразный кислород и водород. Человек потребляет в сутки чуть меньше килограмма кислорода. Для его получения электролизом требуется около килограмма воды. Вместе с питьём и приготовлением пищи это примерно 3,5 килограмма на человека в сутки.
Вода нужна и для личной гигиены. Хотя привычных умывальников и душа на станции нет, экипаж все равно чистит зубы и моет голову, применяя шампунь, не требующий смывания, обтирает тело смоченными полотенцами и пользуется влажными салфетками. Космонавты обходятся небольшими порциями жидкости. Потребление воды в ассенизационном устройстве минимизировано – в основном с эвакуацией отходов справляется поток воздуха. Но вода используется для промывки систем приема. Использованную так воду затем собирают вместе с уриной для хранения или последующей переработки. Гигиенические и санитарные нужды, таким образом, увеличивают общую потребность сверх количества, необходимого для питья, приготовления пищи и получения кислорода.
Даже без этих дополнительных расходов условному экипажу из семи человек на полгода потребуется не менее 4,5 тонн воды, если использовать её только один раз. Численность людей на станции и продолжительность экспедиций меняются, а вместе с ними — и необходимый запас. Чем больше экипаж и дольше полет, тем больше масса груза, который придётся отправить с Земли. На МКС его можно доставлять грузовыми кораблями. Но если покрывать всю потребность только таким способом, каждый новый месяц работы будет требовать почти 750 килограммов дополнительного груза.
Для будущих межпланетных экспедиций, в которых регулярное снабжение с Земли просто невозможно, зависимость от расходуемых запасов становится ещё более серьёзным ограничением. Возвращение использованной воды в оборот создает на космическом аппарате подобие природного круговорота: после обработки жидкость снова становится пригодной к применению. Это позволяет уменьшить невосполнимые потери и сократить массу запасов, которые нужно взять в полёт.
На МКС доставка и восстановление уже дополняют друг друга. Привезенную воду сохраняют в запасах, подготавливают к выдаче и расходуют; часть использованной собирают и после обработки возвращают экипажу. Общие принципы водообеспечения российского и американского сегментов сходны, хотя оборудование и отдельные способы обработки различаются. Дальше рассмотрим российскую систему — начиная с отправки воды с Земли.
Как воду доставляют с Земли на МКС
На российский сегмент МКС воду привозят грузовые корабли «Прогресс-МС». Основной запас размещают в системе «Родник» — двух баках вместимостью по 210 литров, расположенных в негерметичном отсеке компонентов дозаправки. При полном заполнении они вмещают 420 литров. Кроме того, подготовленную на Земле воду могут доставлять в переносных емкостях ЕДВ, размещенных в герметичном грузовом отсеке.
Фактическая загрузка может быть меньше полной вместимости: количество воды зависит от конкретного рейса. Например, в ведомости грузов для «Прогресса М-06М» были указаны 300 килограммов воды, а для «Прогресса М-08М» — 272 килограмма. Поэтому вместимость системы и фактически отправленный запас — не одно и то же.
После стыковки доставленную воду не обязательно сразу перекачивать на станцию: пока «Прогресс» остается у МКС, запас может храниться в его баках и расходоваться по мере необходимости. В российском сегменте для хранения предусмотрены два бака системы «Родник» вместимостью по 210 литров в модуле «Звезда», а также переносные ёмкости для воды ЕДВ. Если последние доставлены заполненными, при разгрузке их переносят из корабля на станцию. Распределение запаса зависит от заполненности корабельных и станционных хранилищ и потребностей экипажа. Вода в станционных баках служит, в том числе, резервом на случай отказа системы, восстанавливающей питьевую воду из влаги воздуха.
После расходования доставленной воды или её перекачки в другие ёмкости освободившиеся баки «Прогресса» могут использовать для накопления жидких отходов перед отстыковкой корабля от станции.
Как хранят воду на МКС
Доставить воду — лишь часть задачи: до использования может пройти много времени, и на протяжении всего срока хранения необходимо сохранять ее качество.
Как было сказано выше, на российском сегменте жидкость хранится не только в больших баках «Родника», но и в переносных емкостях ЕДВ. Последние можно заправить из «Родника» и подключить к системе выдачи питьевой воды. ЕДВ вмещает около 22 литров: внутри жесткого корпуса размещен гибкий мешок (эластичная емкость) для воды. Для подачи жидкости в пространство между корпусом и эластичной емкостью подают воздух. Его давление сжимает мешок, вытесняя воду в раздаточное устройство.
Но заполнить бак и закрыть его недостаточно: воду нужно защищать от микробного роста. Для этого используют ионы серебра. В доставляемый с Земли запас их вводят заранее. Жидкость, полученную на борту из конденсата атмосферной влаги, также консервируют ионами серебра в процессе обработки.
Консервация — предупредительная мера, а не свидетельство того, что вода уже загрязнена. Её задача — сдерживать размножение микроорганизмов, которые могут попасть в воду или систему. При этом содержание консерванта необходимо контролировать: со временем оно может снижаться. Поэтому при анализе проб проверяют не только наличие загрязнений, но и концентрацию ионов серебра. Результаты позволяют оценить пригодность воды для употребления и сохранность её защиты от микробного роста.
Таким образом, при хранении важно знать не только, сколько воды находится на борту, но и сохраняет ли она необходимое качество. Консервация помогает сдерживать микробный рост, а анализ проб — проверять состояние питьевого запаса до его использования.
Как из воды на МКС получают кислород
Приготовление обеда на станции часто начинается с того, что космонавт подключает пакет с сублимированным блюдом к устройству подачи воды. Удерживая упаковку, он добавляет порцию воды нужной температуры. В супы, картофельное пюре или макароны идет горячая вода (около 85 °C). Для салатов и закусок используют теплую — от 25 до 42 °C. Консервы восстанавливать не требуется: их разогревают в специальном подогревателе.
Работу с бортовым оборудованием для приготовления пищи космонавты осваивают еще на Земле. На занятиях в ЦПК они учатся дозировать воду при заправке пакетов с сублимированными продуктами через переходники системы водоснабжения и удерживать пакет: в невесомости давление может вытолкнуть его из соединения. Вода здесь — ограниченный ресурс, а привычное движение «открыл кран — налил» не работает. После заправки содержимое пакета перемешивают встряхиванием, а двухслойная упаковка и специальный клапан позволяют переворачивать его, не теряя ни капли содержимого.
Воду используют не только для питья, приготовления пищи и гигиены, но и для получения кислорода. На российском сегменте эту задачу выполняет «Электрон-ВМ»: электрический ток разлагает воду на кислород и водород, а полученный кислород поступает в атмосферу станции для дыхания экипажа. Перед подачей в «Электрон-ВМ» воду дополнительно очищают от примесей в блоке из пяти последовательно соединенных колонок с активированным углем и ионообменными смолами. Пузырьки свободного газа удаляют отдельно — перекачивая воду через сепаратор: их попадание в установку может нарушать работу насосов и вызывать отключения.
Подготовка воды снижает риск таких нарушений, но не исключает необходимости обслуживать и ремонтировать саму установку. Чтобы на это время не прекращать выработку кислорода, в 2022 году на российском сегменте ввели в работу второй «Электрон-ВМ» — в модуле «Наука». По объяснению специалистов компании-разработчика – Научно-исследовательского института химического машиностроения (НИИхиммаша), две установки взаимозаменяемы: при обслуживании или отказе одной кислород может вырабатывать другая.
Используют ли воду на МКС повторно
После питья, приготовления пищи и гигиенических процедур часть воды можно собрать и вернуть в оборот. Один из её путей проходит через воздух: в него попадает влага, которую человек выделяет при дыхании и с потом, испаряющимся с кожи. Охлаждая влажный воздух, пар можно сконденсировать, превращая в жидкость. Конденсат отделяют от воздушного потока и собирают для дальнейшей обработки. На российском сегменте он поступает в систему регенерации воды из конденсата СРВ-К2М. Она производит воду, пригодную для питья и приготовления пищи.
Другой путь начинается в туалете. После использования приемника жидких отходов насос-дозатор подает в него поток смывной воды с консервирующе-обеззараживающим составом. Консервант сдерживает микробный рост и разложение мочевины с образованием аммиака. Затем смесь сепарируют: воздух отделяют, а жидкость — смесь урины, консерванта и смывной воды — собирают в емкость для хранения.
Собранную жидкость направляют на извлечение воды. Ее перегоняют в дистилляторе при пониженном давлении: в этих условиях вода испаряется уже при 35–40 °C. Образовавшийся пар отводят и конденсируют на более холодной поверхности, собирая полученную воду отдельно. В невесомости жидкость не собирается внизу, как на Земле, поэтому ее нужно удерживать у нагреваемых поверхностей. Для этого рабочий узел дистиллятора вращается: возникающая центробежная сила прижимает жидкость к этим поверхностям и помогает перемещать ее внутри аппарата. Полученная вода называется дистиллятом, а оставшийся упаренный раствор — концентратом; его отводят в другую емкость.
При такой перегонке тепло используют повторно: тепло, выделившееся при конденсации пара в одной ступени, помогает испарять воду в следующей. Это уменьшает расход энергии. Полученный дистиллят — деминерализованная вода: в ней почти нет солей и микроэлементов, необходимых питьевой воде. Поэтому её направляют на дальнейшую очистку и минерализацию, а не подают непосредственно к столу.
Таким образом, влага из воздуха и вода из урины приходят к следующему этапу разными путями. В первом случае достаточно собрать конденсат, во втором — сначала отделить воду перегонкой от основной массы растворенных веществ. Но ни конденсат, ни дистиллят еще не являются готовой питьевой водой: им предстоит очистка, минерализация и обеззараживание.
Когда уже можно пить воду после очистки
Итак, отделить воду от загрязнений — еще не значит закончить ее подготовку. Дистиллят из урины поступает на доочистку, а конденсат проходит собственную последовательность обработки в СРВ-К2М. Задача системы — получить воду питьевого качества. Для этого из нее удаляют механические, органические и неорганические примеси, используя сорбцию и ионообмен. При сорбции примеси задерживаются на поверхности твердого материала, например активированного угля. Ионообмен работает иначе: специальные смолы заменяют нежелательные растворенные ионы в воде на другие, безопасные ионы. Разные этапы дополняют друг друга, а не заменяются одним универсальным фильтром.
Затем состав очищенной воды подготавливают для потребления: ее насыщают пищевыми солями и микроэлементами. Этот этап называют минерализацией. В том же процессе в воду добавляют ионное серебро — средство защиты от размножения микроорганизмов, о котором шла речь в разделе о хранении.
Перед подачей экипажу восстановленная вода проходит пастеризацию — обеззараживание нагреванием. После этого ее можно получить горячей или охлажденной. Вода, собранная из воздуха станции или полученная из урины, в итоге возвращается к обеденному столу, уже пройдя очистку и подготовку.
Таким образом, между сбором воды и наполнением пакета с напитком лежит несколько самостоятельных операций. Очистка, подготовка солевого состава и обеззараживание решают разные задачи — вместе они позволяют использовать восстановленную воду для питья и питания.
Сколько на МКС восстановили воды за все время
В российском сегменте конденсат атмосферной влаги собирают и очищают в системе СРВ-К2М. За четверть века она вернула в оборот более 30 тонн воды — заметную часть питьевого запаса станции. Восстановление влаги давно стало существенной частью повседневного снабжения экипажа. Эта цифра показывает масштаб регенерации: десятки тонн воды экипаж получил благодаря переработке влаги уже на орбите, а не из доставленных с Земли запасов.
Без восстановления воды значительную часть питьевой воды пришлось бы регулярно доставлять с Земли. Регенерация позволяет резко сократить эти поставки: вместо десятков тонн воды за годы работы на станцию достаточно доставлять существенно меньший объем. Освободившиеся возможности в грузовых кораблях используют для оборудования, еды, материалов для экспериментов и других необходимых грузов.
Российский и американский сегменты не изолированы друг от друга в вопросах водоснабжения. Воду или сырье для ее получения между ними передают по мере необходимости.
Так складывается путь воды. На Земле ее готовят, упаковывают в грузовой корабль, который доставляет жидкость на станцию, где баки и переносные емкости сохраняют запас. Экипаж использует воду для еды, питья и ухода за собой; часть направляют на получение кислорода. Влага, которую можно собрать и обработать, становится источником нового запаса. Эти этапы различаются по назначению, но работают на одну задачу — обеспечить людей одной из основ жизни в нужное время и нужного качества.
