Vivir en el espacio
Explorando la naturaleza, agosto de 2001
Compilado por Qiao Aguang
Desde que el cosmonauta soviético Gagarin voló por primera vez al espacio hace 40 años, los seres humanos en el espacio tienen vida Ya no es un sueño. Recientemente, el viaje espacial del multimillonario estadounidense Tito ha despertado el anhelo de vida espacial de muchos entusiastas del espacio. Mucha gente quiere seguir los pasos de Tito, subir a la Estación Espacial Internacional, flotar en la cabina y contemplar la Tierra.
Sin embargo, la vida en la Estación Espacial Internacional no es tan placentera como se esperaba.
Fabrica tu propio oxígeno
El primer problema que encuentra la estación espacial es que casi no hay aire a una altitud de más de 300 kilómetros sobre la tierra.
En la Tierra, el aire contiene un 78% de nitrógeno, un 21% de oxígeno y un 1% de otros gases. En la estación espacial, si los astronautas quieren vivir y trabajar normalmente, deben tener ese aire. El nitrógeno se transporta en el transbordador espacial, mientras que el oxígeno se fabrica en la estación espacial. Todos los estudiantes de secundaria saben que dos átomos de hidrógeno más un átomo de oxígeno forman el agua y también han realizado experimentos sobre la electrolización del agua en tubos de ensayo para obtener oxígeno. En la Estación Espacial Internacional de alta tecnología, el oxígeno se obtiene basándose en esta ecuación química básica y se almacena en un tanque a presión para su uso posterior. El hidrógeno producido actualmente sólo puede emitirse al espacio, y se utilizará para reaccionar con el monóxido de carbono para generar en el futuro metano, que se utilizará como energía para mantener la altitud orbital de la estación espacial.
Antes de poner en funcionamiento el ionizador de agua del módulo de servicio "Star" de fabricación rusa de la estación espacial, los astronautas quemaban "velas de perclorato" para respirar oxígeno. Este es un tanque de metal lleno de perclorato. Retire la bujía y arderá liberando oxígeno hasta que se produzca la combustión completa.
Cada tanque puede liberar el oxígeno de una persona durante un día. El principio químico utilizado aquí es también el principio experimental utilizado por los estudiantes de secundaria para calentar perclorato de potasio para obtener oxígeno. Pero no creas que podrás hacer este tipo de “vela” después de terminar la secundaria. Hay una razón científica más profunda aquí. Por ejemplo, el 23 de febrero de 1997, una especie de "vela" de este tipo en la estación espacial rusa Mir provocó un incendio que casi destruyó la Mir. Los científicos tardaron dos años en descubrir que el culpable eran los guantes de látex: fragmentos de guantes de látex usados por los conserveros se mezclaron durante el proceso de enlatado y el látex reaccionó con el perclorato, provocando el incendio.
Además de obtener oxígeno, la estación espacial también necesita eliminar gases nocivos para el cuerpo humano. Actualmente, las máquinas de la cabina "Star" de la estación espacial utilizan "zeolita" como tamiz molecular para filtrar el aire. El dióxido de carbono que se desprende de ella actualmente sólo puede enviarse al espacio, por lo que en el futuro será reciclado.
Además del dióxido de carbono, las personas también emiten pequeñas cantidades de otros gases, como metano, amoníaco producido por la descomposición de la urea en la orina, acetona, metanol y monóxido de carbono, todos ellos subproductos de la Metabolismo: orina y respiración. La estación espacial utiliza filtros de carbón activado para absorber estos compuestos gaseosos del aire.
Para garantizar que el aire en la estación espacial sea seguro, la red de tuberías de la estación espacial recolecta muestras de aire de diferentes partes de la estación espacial y las envía al espectrómetro de masas para el análisis de los componentes gaseosos. Mientras la tripulación trabajaba en algún lugar de la estación espacial ese día, le dijeron a la computadora que recolectara más muestras allí para garantizar la salud de la tripulación.
No desperdicies ni una gota de agua
Después del largo viaje a la estación espacial, lo más importante que quería hacer era correr al baño para lavarme la cara. o incluso meterse al baño para darse un baño caliente. Pero la realidad es que sólo podrás limpiarlo con una toalla mojada, utilizando agua tratada con vapor del aliento de tu pareja y agua del tanque. En zonas de gran altitud y alejadas de la tierra, cada gota de agua es preciosa y debe reciclarse y utilizarse con moderación. Incluso la orina debe reciclarse y reutilizarse después del tratamiento.
El agua inicial fue entregada por el transbordador espacial estadounidense y el carguero ruso Progress. Una parte se utiliza para descomponerse y producir oxígeno, y la otra parte se convierte en el agua inicial para el sistema de circulación de agua de la estación espacial. El procesador de agua en órbita desarrollado por Rusia puede recolectar vapor de agua en el aire de la estación espacial. Estados Unidos está construyendo un sistema de reciclaje que puede reciclar casi cada gota de agua. El sistema recicla agua de los tanques de combustible del transbordador espacial, orina, enjuague bucal, agua para lavarse las manos e incluso animales de laboratorio. De lo contrario, para garantizar el consumo mínimo de agua para una tripulación de cuatro personas, sería demasiado caro transportar más de 18.000 kilogramos de agua desde la Tierra a la estación espacial cada año.
El agua en la Tierra también circula, sólo a través de procesos naturales de plantas y animales. El vapor de agua exhalado por los animales entra al aire y cae bajo la lluvia. La orina animal es descompuesta por microorganismos para ser absorbida por las plantas, que son consumidas por los humanos cuando maduran.
El sistema de purificación de agua de la estación espacial simula este proceso, pero no depende de microorganismos, animales ni plantas, sino que utiliza métodos totalmente mecánicos, lo que es técnicamente fiable. Primero, se realiza una filtración primaria para eliminar impurezas y partículas, luego se eliminan las impurezas orgánicas y no orgánicas mediante filtración multicapa y, finalmente, los compuestos orgánicos volátiles se eliminan mediante un reactor de oxidación catalítica para matar bacterias y virus. Por tanto, el agua de la estación espacial es más limpia que el agua que sale de cualquier grifo doméstico en la Tierra.
En la Tierra, en cuanto abres el grifo, sale agua. Pero la presión del agua en la estación espacial es solo la mitad que en la Tierra, por lo que las toallas solo se pueden mojar con el cabezal de la ducha y usarse para limpiarse las manos. Por lo tanto, para lavarse las manos en la estación espacial, sólo es necesario utilizar 1/10 del agua que hay en la Tierra. Cuando quieras beber agua, debes conectar el tanque de agua y ponerlo en el dispensador de agua, seleccionar la cantidad requerida y presionar el botón para obtener la cantidad de agua requerida, en lugar de abrir el grifo y dejar que el agua corra. por sí solo. Incluso después de reciclar tanto como sea posible, el agua en la estación espacial aún se perderá y deberá ser repuesta por el transbordador espacial y la nave espacial Progress. En la cabina rusa "Dawn" hay instalados depósitos de agua de emergencia de repuesto. Cada depósito de agua tiene capacidad para unos 41 kilogramos de agua.
Destruyendo microbios
Antes de que el primer hombre pisara la Estación Espacial Internacional, algo llegó allí primero. Una cosa invisible pero potencialmente peligrosa con la capacidad de sobrevivir y regenerarse en los entornos más hostiles, atacando tanto a la tripulación como a la estación espacial: son los microbios.
Para eliminar la amenaza que suponen los microorganismos para la salud de los astronautas, en la estación espacial se utiliza un reactor de oxidación catalítica para desinfectar el agua y el agua se calienta a 130°C. Durante este proceso, las moléculas orgánicas de los microorganismos se oxidan y casi todas mueren. Después de la desinfección, quedan menos de 100 microorganismos por 100 ml de agua.
El crecimiento de microorganismos en la superficie de los equipos de la estación espacial producirá ácido, lo que provocará corrosión en la superficie. Para solucionar este problema, en primer lugar, se deben utilizar todos los materiales antimoho y se debe recubrir la superficie con pintura hecha de productos químicos antimoho; en segundo lugar, se debe controlar la humedad de la estación espacial para que no se filtre; proporcionar un ambiente adecuado para que los microorganismos se reproduzcan; en tercer lugar, la superficie debe mantenerse limpia, dejando a los microorganismos sin alimento;
Luchar contra el exceso de frío y el exceso de calor
El ser humano sólo es apto para vivir en lugares que no sean ni demasiado fríos ni demasiado calientes, ni demasiado luminosos ni demasiado oscuros. La Tierra es apta para la supervivencia humana siempre que se mantenga alejada de la Antártida, no caiga en cráteres volcánicos y no caiga en desiertos. Sin embargo, los humanos explorarán el espacio, no sólo como turistas, sino como colonos. Para los diseñadores de estaciones espaciales, crear un entorno adecuado para la habitación humana es un gran desafío.
Si no hay control de temperatura en la estación espacial, el lado soleado alcanzará los 121 y la parte trasera será -157, por lo que solo hay un lugar en el medio de la estación espacial adecuado para los humanos. habitación. Sin embargo, los diseñadores de la estación espacial consideraron el equilibrio térmico de la estación espacial y ensamblaron un sistema de control térmico para hacer que el "hogar de los astronautas" en órbita fuera fresco y cómodo. Por lo tanto, se necesitan varios instrumentos generadores de calor para hacer frente a los efectos del frío del espacio exterior de la estación espacial y al aumento de temperatura dentro del laboratorio orbital superaislado, porque en una habitación completamente aislada del mundo exterior y Cuando se apaga el aire acondicionado, la energía generada por todos los cables finalmente se convertirá en calor. En la estación espacial, la energía de los paneles solares ingresa a la estación espacial para hacer funcionar todos los sistemas, como los instrumentos electrónicos aeroespaciales, y todos generan calor. Por lo tanto, se deben tomar medidas para evitar exceder los límites térmicos humanos.
Hay dos formas de solucionar este problema. Un enfoque pasivo es utilizar materiales o revestimientos aislantes en la superficie para reducir la pérdida de calor de cada mamparo. Mylar evita que entre la radiación térmica del sol. Separar cada capa de película de poliéster con fibra de poliéster puede bloquear la conducción de calor entre capas y lograr que la radiación se convierta en el principal método de transferencia de calor a través de esta "manta", que no solo evita la pérdida de radiación solar, sino que también evita que las corrientes frías en el espacio penetrante El segundo es usar cables calefactores eléctricos para calentar todos los lugares y el tercero es usar tuberías llenas de líquido para transferir calor y equilibrarlo.
Otro enfoque es el enfoque proactivo. Es una placa fría, una placa de metal que transfiere calor directamente. Un generador de alto calor está conectado a la placa fría y una turbina que funciona a 1700 rpm hace circular agua fría. Se utiliza un intercambiador de calor para recolectar calor en el amoníaco líquido y luego transferir el calor al agua. Debido a que el agua que circula fuera de la estación espacial se congelará rápidamente, para que estos sistemas líquidos funcionen, el calor residual debe intercambiarse a otro ciclo que contenga amoníaco lo antes posible. Bajo presión atmosférica normal, el amoníaco no se congela hasta -77 grados centígrados. El amoníaco calentado fluye a través de enormes radiadores instalados fuera de la estación espacial, liberando calor y enfriando a medida que fluye. El calor recogido se irradia al espacio mediante grandes resistencias térmicas similares a los paneles solares.
El radiador exterior de la estación espacial utiliza paneles de aluminio alveolar, 14 piezas, con una superficie total de 156 metros cuadrados.
Finalmente, el flujo de aire dentro de la estación espacial debe estar equilibrado. En las condiciones de gravedad cero de la estación espacial, el aire caliente no asciende y el aire frío no desciende. Debemos intentar crear el flujo de aire adecuado para evitar puntos fríos, ya que dichos puntos fríos pueden causar condensación, chispas, corrosión severa e incluso promover el crecimiento de microorganismos. Apareció moho corrosivo en el Mir ruso.
Limpieza espacial
¿Los astronautas necesitan recoger basura o limpiar la cocina? ¿Hay personal de limpieza en el espacio?
La pequeña estación espacial sólo tiene capacidad para entre 3 y 7 personas. Todos realizan un pesado trabajo científico y tecnológico y no hay nadie libre para hacer las tareas del hogar. Por lo tanto, toda la comida dentro de la estación espacial es entregada por el transbordador espacial estadounidense o el carguero ruso Progress, y la tripulación no necesita preparar su propia comida. Los miembros de la tripulación pueden elegir su comida favorita de un extenso menú. La mayoría de los alimentos se procesan y envasan en pequeñas bolsas o latas. Algunos alimentos han sido deshidratados y se pueden comer calentando agua. Las bolsas y latas de comida sólo se pueden calentar y comer, junto con pequeñas cantidades de verduras y frutas crudas. Pero estos alimentos no necesitan colocarse en el refrigerador, solo deben mantenerse a temperatura ambiente; hay un pequeño refrigerador en la estación espacial, pero no se puede usar continuamente por razones de energía.
Hay estufas en la estación espacial, inicialmente pequeños calentadores de alimentos del tamaño de un maletín fabricados en Rusia o calentadores de alimentos portátiles fabricados en los Estados Unidos, los cuales son estufas conductoras, no microondas. Más tarde, hubo un horno de microondas, pero todavía no era la estufa espacial definitiva y necesitaba mejoras.
Cuando llegó el transbordador, trajo nuevos suministros como agua y alimentos, y cuando regresó, se convirtió en el camión de basura más caro del mundo, transportando contenedores sellados de regreso a la Tierra. El carguero ruso "Progress" es aún más mágico: trae nuevos suministros y los descarga después de su llegada. Luego, el bote de basura se coloca en el Progress y se sella. Después de abandonar la estación espacial, entró en órbita baja y realizó un reingreso controlado a la atmósfera. Durante este tiempo, el Progreso y sus escombros se redujeron a cenizas y cayeron al océano.
Los complejos pines y las complejidades de los sistemas de plomería
En la Tierra, cuando abres el grifo del baño, sale agua. Después de tirar la cadena, el agua se escurre. Pero en el espacio, ¿qué pasa con el saneamiento? Por ejemplo, ¿cómo fluiría el agua en gravedad cero? ¿El agua caerá automáticamente al tirar de la cadena?
La mayor parte del tiempo, la estación espacial funciona como un barco dentro de una botella, completamente aislada del mundo exterior. El puerto de atraque, o cámara, se abre sólo cuando el transbordador espacial y la nave espacial Progress llevan aire y agua a la estación espacial, y cuando una nave espacial Soyuz reemplaza a su tripulación y los astronautas salen a dar un paseo espacial. Lo más importante de la estación espacial es prevenir eficazmente las fugas de aire y garantizar la recirculación del agua.
Debido a esto, la superficie exterior y las paredes interiores de la estación espacial están cubiertas por una compleja red de tuberías. En estos ductos los líquidos y gases son necesarios para mantener saludable a la tripulación. Debido al entorno especial del espacio, las tuberías de la estación espacial deben ser de tamaño pequeño, livianas, resistentes a la corrosión, sin fugas, sin reproducción de microorganismos y muy confiables. Para cumplir con estos requisitos, todas las tuberías de la estación espacial están hechas de materiales costosos como titanio, acero inoxidable o teflón (PTFE), envueltos alrededor de una malla metálica.
Las tuberías de la estación espacial deben funcionar sin ayuda de la gravedad. Sin gravedad, los fluidos simplemente permanecerían allí a menos que la presión los empujara. Para mover líquidos, el sistema de tuberías de la estación espacial tiene docenas de bombas y ventiladores, lo que aumenta la presión necesaria para mover líquidos y gases. Como puede imaginar, los baños de la estación espacial son obviamente diferentes de los baños en tierra. Los baños simplemente no pueden funcionar sin gravedad, por eso la estación espacial utiliza pajitas especiales para eliminar los desechos humanos.
Las comunicaciones en la Estación Espacial Internacional adoptaron las lecciones aprendidas de la estación espacial rusa Mir, alentando a los miembros de la tripulación a llamar a casa. Cada miembro de la tripulación tiene un videoteléfono y puede llamar a casa todas las semanas. La tripulación también puede enviar y recibir correos electrónicos todos los días, para que nadie se sienta lejos de su familia.
Los sistemas que garantizan la seguridad de la vida humana en el espacio, como la producción de oxígeno, el reciclaje de agua y el establecimiento de sistemas de control de temperatura, se denominan "sistemas de soporte vital". Los científicos han comenzado a estudiar sistemas avanzados de soporte vital, conocidos como entornos microterrestres. Un día, los humanos finalmente podrán comer sus propios alimentos en el espacio, respirar el oxígeno proporcionado por las plantas espaciales y beber agua purificada por las plantas espaciales.