Как устроена Международная космическая станция: от кислорода до выработки энергии

Международная космическая станция — важнейший инструмент по изучению космоса (и не только его), без которого сотни или даже тысячи научных открытий были бы невозможны. Это настоящее технологическое чудо, отвечающее на сложнейшие вопросы научного сообщества и позволяющее развить космическую отрасль для колонизации планет и даже путешествий в соседние галактики. При этом многие даже не подозревают, как на МКС возникает кислород или вода, откуда там взялось электричество и почему станция до сих пор находится на орбите Земли, игнорируя силу притяжения. К счастью, ответы на все эти и другие вопросы давно предоставлены ведущими специалистами со всего мира.

МКС могла бы не существовать, если бы не 1 решающий голос

Общая стоимость проекта Международной космической станции на текущий момент с учётом инфляции оценивается в 150 миллиардов долларов — это самый дорогой космический корабль в истории человечества.

Решение о создании Международной орбитальной станции было принято в США в 1984 году, и лишь спустя 4 года проект получил своё официальное название Freedom («Свобода») — на тот момент это был общий проект США, Европейского космического агентства, Канады и Японии. Но уже к началу 90-х стало ясно, что стоимость проекта настолько огромная, что даже таким конгломератом реализовать станцию невозможно — тогда к работе решили подключить Россию. В результате NASA заключила с Российским космическим агентством (РКА) соглашение на совместное исследование космоса, которое сначала вылилось в программу «Мир — Шаттл», а позже — в план создания МКС.

Изначально идею создания Международной космической станции (уже не орбитальной) в марте 1993 года предложили Юрий Коптев, генеральный директор РКА, и Юрий Семёнов, генеральный конструктор «Энергии», — они объявили об этом Дэниэлу Голдину, руководителю NASA, который озвучил идею правительству. В Конгрессе США начались весьма активные споры относительно данного вопроса и в конечном итоге было запущено голосование об отказе создания Международной космической станции, которое провалилось с разницей всего в 1 голос — 215 конгрессменов проголосовали за отказ от создания станции, а 216 — против данного предложения и за строительство станции.

А уже в 1988 году на орбиту вывели первый элемент будущей станции — функционально-грузовой модуль «Заря». Примечательно, что он был сконструирован и произведён в России, после чего запущен в космос на российской ракете «Протон-К», и является частью российского сегмента МКС, но при этом находится в собственности NASA — именно США оплатила производство и доставку на орбиту. Дальше станция постепенно обрастала новыми модулями — сначала был доставлен стыковочный модуль «Юнити», затем интегрирован служебный элемент «Звезда», после чего был доставлен лабораторно-научный модуль «Дестини», за ним соединительный узел «Гармония», научно-исследовательские лаборатории «Коламбус» и «Кибо». Кроме того, периодически на МКС доставлялись ферменные модули (фермы, доставленные на орбиту, монтируются экипажем к МКС для негерметичного хранения различных грузов, установки радиаторов, солнечных батарей и различного иного оборудования) с солнечными батареями, радиаторами систем охлаждения и не только.

‌

Космическая станция постепенно падает на Землю — но не до конца

Процесс «подъёма» станции — настоящий аттракцион для космонавтов на борту. Если в этот момент находиться в центральной части МКС, то весь корабль вращается вокруг космонавта, постепенно поднимаясь вверх. 

Международная космическая станция находится на высоте в 400 километров от поверхности Земли (это среднее значение), но, к сожалению, она не может просто висеть в космосе неподвижно. Из-за силы притяжения Земли МКС постепенно «падает» на планету со скоростью 100 метров в сутки, то есть спускается со своей базовой орбиты вниз. Чтобы удерживать станцию на одной высоте, изредка орбиту приходится корректировать — это называется «перезагрузкой орбиты». Станция включает двигатели, после чего в течение 12 минут плавно поднимается на нужную высоту. Кроме того, иногда станции корректируют орбиту из-за внештатных ситуаций — например, из-за риска столкновения с космическим мусором или космическими спутниками.

Впрочем, на научные функции станции это никак не влияет — а именно для этого МКС и создавали. Суть в том, что некоторые эксперименты учёным хочется (и в этом есть необходимость) проводить за пределами земной гравитации и атмосферы, так как открытый космос может определённым образом влиять на вещества, механические процессы и не только. Так что МКС выступает не просто домом для нескольких космонавтов, но и научной станцией с различным оборудованием, которое выполняет поставленные задачи в условиях невесомости. Конечно, ещё МКС можно использовать для красивых панорамных снимков и видео Земли, но это больше бонус, чем цель.

Кроме того, станция выступает ещё и полигоном для тестов самых различных технологий, которые отрабатываются в режиме испытания. Например, можно изучить новые скафандры, потренироваться развёртывать сложные механизмы в космосе, настроить систему беспилотного управления космическими кораблями, проверить на прочность теплозащитные пластины или посмотреть на то, как различные биологические виды ведут себя за пределами Земли. Так что Международная космическая станция выступает настоящим плацдармом для испытаний в самых разных сферах, а не только в роли научного комплекса по изучению веществ и космоса.

Бесплатное (почти) электричество в открытом космосе

Никель-водородные аккумуляторные батареи, расположенные на борту МКС, имеют срок службы в 6,5 года, так что периодически их вынуждены менять — без них функционирование станции невозможно.

Хотя на МКС постоянно доставляют различное оборудование и припаса для экипажа, в энергетическом плане станция абсолютно автономная и обеспечивает всю аппаратуру, системы связи, исследовательское оборудование и системы жизнеобеспечения электрической энергией самостоятельно. Для этого космическая станция оснащена солнечными панелями, преобразовывающими солнечную энергию в электрическую, суммарной площадью 1 680 м² при выработке в 124 кВт энергии. Это действительно внушительный объём вырабатываемого электричества, который на самом деле для требований МКС является избыточным.

Но нужно понимать, что инженеры МКС были вынуждены собрать столь огромную площадь солнечных панелей — дело в том, что станция совершает оборот вокруг Земли в среднем за 90-92 минуты, то есть за 24 часа она огибает планету 16 раз, и примерно половину этого времени станция находится в тени Земли, не получая энергии от Солнца. В это время космическая станция работает от встроенных аккумуляторов, которые заранее подзаряжаются при наличии прямых солнечных лучей. Это значит, что солнечные панели МКС должны вырабатывать достаточное количество энергии (с небольшим запасом на случай ЧП) для постоянной работы станции в режиме 24/7 всего за 12 часов в сутках — ради этого и были реализованы солнечные панели суммарной площадью почти с футбольное поле.

И, безусловно, называть такую энергию «бесплатной» язык не поворачивается — для производства, доставки и развёртывания панелей площадью в 1 680 м² потратили безумное количество денег, которого, вероятно, хватило бы для удовлетворения потребностей небольшого города в течение десятков лет. С другой стороны, никак иначе энергию на МКС всё равно не доставить.

Космическая версия кондиционера с водой и аммиаком

Самым опасным врагом терморегуляции МКС является космический мусор — в случае возникновения существенной пробоины вся жидкость из контура охлаждения просто вытечет в открытый космос.

Вопрос терморегуляции космической станции — вероятно, одна из первых проблем, которую пришлось решать инженерам в процессе проектирования МКС. Дело в том, что данный объект, находясь на околоземной орбите, с солнечной стороны постоянно нагревается до 121 °С, а в тени с обратной стороны охлаждается, излучая тепло, до -157 °С. Специалисты отмечают, что при особой необходимости можно найти точку на МКС посредине этих двух «зол», в которой можно будет существовать вполне комфортно, но заниматься этим по вполне понятным причинам никто не станет.

Для того, чтобы в любом секторе станции было комфортно проживать как экипажу, так и достаточно дорогому оборудованию и припасам, инженеры продумали двухконтурную систему охлаждения — она использует весьма разветвлённое «древо» с тепловыми трубами, радиаторами (в том числе внешними) и испарительными камерами, площадь которых на текущий момент уже соизмерима с площадью солнечных панелей. И начать стоит с внешнего контура, который работает на аммиаке и выступает за «холодильную» функцию — данное вещество испаряется при комнатной температуре и отвечает за охлаждение всей Международной космической станции, нагреваясь как от солнечных лучей, так и от внутренних процессов на самой станции.

Ещё есть внутренний контур, который работает уже на самой обычной воде — этот сегмент охлаждается при помощи внешнего контура и аммиака. В конечном итоге данная пассивная система охлаждения способна рассеивать в открытый космос примерно 70 кВт тепловой энергии, но при необходимости можно задействовать дополнительные протоколы и «сбросить» ещё 14 кВт.

Один литр воды в сутки — дневная норма кислорода на МКС

Российская разработка способна вырабатывать от 25 до 160 литров кислорода в час, чего хватает на 6 космонавтов. При этом выделяется до 320 литров водорода, которые пока что просто утилизируются.

Изначально при полётах в космос космонавты все необходимые расходные материалы брали с Земли — включая кислородные баллоны в огромном количестве, которые после отработки выбрасывались в открытый космос. Но с МКС такой трюк не сработал бы, потому что при длительном нахождении космонавтов на борту с Земли приходилось бы отправлять грузовые корабли с кислородом буквально постоянно. К счастью, учёные из СССР придумали довольно элегантное решение — они создали простой, но эффективный механизм по выработке кислорода прямо на борту космической станции.

Речь идёт о системе «Электрон-ВМ», которую создали специалисты из АО «НИИхиммаш» — стоит отметить, что данный институт создали в далёком 1943 году на базе миномётного завода, а сейчас на разработке российского НИИ «дышит» вся Международная космическая станция. Собственно, «Электрон-ВМ» изначально установили на космическом корабле «Союз», затем на «Мире», после чего система отправилась на МКС, где трудится с первого дня запуска. И хотя аналогов на космической станции нет, процесс выработки кислорода на данном аппарате предельно простой — всё завязано на электролизе воды. Жидкость подаётся в специальный резервуар, после чего на воду воздействуют электрическим током, под действием которого вода «делится» на молекулы кислорода и водорода.

Далее кислород отправляется в систему жизнеобеспечения, а водород на текущий момент выбрасывают в открытый космос (хотя в будущем планируется «отходы» процесса выработки кислорода тоже использовать — например, для новых силовых установок, которые позволят путешествовать в далёкий космос). Для выработки суточной нормы кислорода на одного космонавта система электролиза затрачивает примерно один литр воды — соответственно, для одного космонавта в год нужно 365 литров воды только для того, чтобы дышать. Объёмы выглядят просто безумными, особенно с учётом того, что на МКС одновременно может проживать несколько человек, и частично необходимую воду доставляют с Земли на грузовых кораблях. Но так как доставлять тонны воды было бы слишком дорого, специалисты научились добывать воду на самой МКС.

Воду на МКС добывают буквально из всего — даже из дыхания

В условиях МКС привычного душа, естественно, не существует — для поддержания гигиены используются влажные салфетки и незначительные объёмы воды.

Естественно, во времена, когда доставка 500 граммов груза на МКС обходилась в среднем в 10 тысяч долларов, никто даже не думал о том, чтобы гонять туда и обратно грузовые корабли, снабжая космонавтов водой. Вместо этого инженеры со всего мира трудились над системой рециркуляции воды на космической станции, которая позволит задействовать воду повторно и добывать, в буквальном смысле этого слова, её из любых доступных источников. В результате специалистам удалось добиться восстановления водных ресурсов на МКС на уровне 93-95% (сейчас NASA в экспериментальном формате сумела добиться результата в 98%).

Это значит, что если космонавты, условно, отправились на МКС со ста литрами воды на корабле, то по завершению своей миссии они улетят на Землю, оставив на станции от 93 до 98 литров. Как можно находиться на космической станции месяцами и за это время потратить всего пару литров воды, если дневная норма на человека составляет 3,7-4,5 литра (на гигиену, приготовление пищи, электролиз, питьё)? Всё просто — воду на МКС используют многократно, перерабатывая и очищая для дальнейшей эксплуатации в различных сценариях жизнедеятельности. И это настолько эффективная система, что даже подумать страшно.

Например, специальные системы на космическом корабле способны перерабатывать отходы жизнедеятельности человека (урину), добывая из них любую доступную воду. Также другая система способна перерабатывать и фильтровать воду, которую до этого использовали в гигиенических целях, дабы её можно было использовать заново. Более того, на МКС есть системы, способные выделять воду из пота с тела человека, а также «выжимать» воздух внутри корабля, извлекая влагу (внутренняя атмосфера корабля постепенно наращивает влажность за счёт дыхания космонавтов). В конечном итоге любая вода на корабле после очистки и фильтрации вновь отправляется на «работу», теряя незначительный процент от своего объёма.