Размышления и прикидки. Звезда Риска

      В данной главе рассмотрим системы, необходимые для выживания экипажа.       Для начала определим требуемый ресурс СЖО. На борту корабля 25 членов экипажа. В строю из них всего 5 человек, которые остаются на службе в течении 20% перелета, после чего их посты занимает следующая смена [1]. Берем время полета по собственным часам. 4,95 лет или 1807 дней. И того 9035 человеко-дней.       Также определимся, сколько ресурсов нужно на одного человека в день. Для это возьмём тот же источник, что и в прошлой главе [2]. И так. Человеку нужно в день 0,83 кг кислорода, 0,62 кг сухой пищи, 3,56 кг воды внутрь и 26 кг воды на гигиену и прочее. Список отходов содержит 1 кг углекислого газа, 0,11 кг сухих продуктов метаболизма, и 29,95 кг воды. Так же от человека нужно отводить 11,82 МДж тепловой энергии [3], и защитить от радиации.       Цель сформирована, начинаем думать.       В основе самой простой системы жизнеобеспечения - просто баки с расходниками, необходимыми для жизнедеятельности. А все отходы выбрасываются за борт. Однако быстрый подсчет покажет, что тогда на борту Звезды Риска нужно иметь 7500 кг кислорода, 5602 кг высушенной еды и 267 тонн воды. В штаб-квартире РДА снова раздаётся вопль: «Это сколько же анобтаниума мы не дополучаем!» Будем оптимизировать.       Возьмем проект TransHub который НАСА разрабатывал в 90-ых, а сейчас принадлежит частной компании Bigelow Aerospace [4]. Возможно поэтому с первоисточниками возникли некоторые проблемы.       Ходя расход воды выглядит самым желанным для оптимизации, но для начала рассмотрим воздух. Его сначала прогоняют через комплекс молекулярных сит, которые удаляют из него загрязнители, углекислый газ и воду, затем CO2 отправляют в химический реактор для восстановления кислорода. В рамках проекта TransHub планировалось использовать реакцию Сабатье с последующим электролизом воды. CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O 2 Н2О → О2 + 2 Н2       Для реакции Сабатье на килограмм CO2 требуется 0,182 кг водорода и на выходе получается 0,818 кг воды. Для получения требуемого количества кислорода необходимо провести электролиз 0,934 кг воды. Так же получится 0,104 кг водорода, который можно вернуть обратно в реактор Сабатье. И того система должна получить из вне 0,078 кг водорода и 0,116 кг воды. На борту в течении всего времени полета необходим запас 705 кг водорода. Воду же можно забирать из соответствующей подсистемы, которая очищает ее за счет химической обработки и паровой перегонки. Так же воду посредством сушки горячим воздухом извлекают из твердых отходов метаболизма. Согласно данным НАСА суточные потери воды вместе со стулом одного человека составляют 0,091 кг. Так же стоит учесть, что сублимированная еда не является абсолютно сухой, хоть и дает очень хороший результат (а следовательно и экономию массы). Согласно Википедии [5] можно добиться влажности конечного продукта 1-4%, другие источники дают примерно такой же результат, но для расчетов возьмем 5%. При данном значении в систему жизнеобеспечения "из вне" будет приходить 0,032 кг воды в день.       И того на человека нужно потратить 3,56 + 26 + 0,12 - 0,03 = 29,65 кг воды в день, а получить можно 29,95 кг при полной рекуперации и 29,95 - 0,09 = 29,86 кг при отказе от рекуперации твердых отходов, что позволит сэкономить около полутоны на осушителе и с чистой совестью выбрасывать отходы за борт (на скорости 70% от скорости света).       Итоговая масса ядра системы жизнеобеспечения Запас водорода: 705 кг Установка рекуперации воздуха (реактор Сабатье и установка электролиза): 527 кг Молекулярные сита: 217,7 кг Система очисти воды: 1119 кг И того: 2568 кг.       Возможна организация жизнеобеспечения на базе микроводорослей.       Так согласно исследованиям в рамках проекта БИОС-3 [6] колония хлореллы площадью 8 м^2 может обеспечить кислородом 1 человека. Так же удалось найти исследование, в которой на базе данной водоросли создали установку с производительностью 4-6 ммоль кислорода на л культуры в час [7]. То есть в сутки мы получаем 4,608 кг кислорода с кубометра культуры. На пятерых человек нужно 0,83 * 5 = 4,15 кг кислорода в сутки на что потребуется 0,9 м^3 культуры. В первом приближении уже получается экономия в 300 кг, но дальше начались проблемы.       Я думал оценить необходимый расход воды на рекуперацию воздуха. Для этого использовал общее уравнение фотосинтеза. 6 H2O + 6 CO2 + энергия → C6H12O6 + 6 O2       В итоге на 0,83 кг кислорода нужно 0,467 кг воды. Даже при идеальном восстановлении воды профицит составит 0,3 кг, что не перекроит потребность установки. Еще одна проблема, которая всплыла, это углекислый газ. Установка будет потреблять 1,141 кг CO2 на человека в день, хотя человек надышит только 1 кг, а уменьшение количества свободной углекислоты в системе может сгубить водоросли. Для решение этой проблемы сходу были придуманы две стратегии (и так же быстро были отклонены). Первая - подкармливать культуру водорослей углекислым газом. Вторая - впрыскивать кислород в уже обработанный воздух, она оказалась более удачной, но все равно съедала весь профицит. На Звезде Риска пришлось бы размещать дополнительно 986 кг воды и 928 кг кислорода.       Так же была попытка восстановить недостающий углекислый газ и воду из отходов. В этой сфере перспективно выглядит технология сверхкритического водного окисления. По сути это "сжигание" отходов в воде при температуре более 374 °C и давлении более 22,1 МПа. При этом остается только вода, углекислый газ, азот и минеральные отложения. Это бы могло решить проблему нехватки сырья для биореактора, но возник вопрос оценки массы установки. Единственная цифра, которая была найдена, ссылается на работу "Parametric Model of a Lunar Base for Mass and Cost Estimates" и согласно ней на человека нужна 150 килограммовая установка и того 750 кг на экипаж Звезды Риска, что тоже перекрывает преимущество в 300 кг.       Следующий вопрос - это охлаждение. Система жизнеобеспечения будет иметь свою собственную, выделенную систему сброса тепла. Подключать его к радиаторам двигателя - это плохая идея из-за слишком большой разницы температур в этих системах. На нее положим следующие источники тепла. 10 "активных" человека (я помню, что их всего пять, но решил, что тут не обойтись без запаса для моментов, когда происходит замена одной пятерки другой), два аватара и 220 криокамер.       Человек, как указывалось выше, требует сброса 11,82 МДж в день, в случае аватаров возьмём поправку на массу 11,82 МДж * 200 / 80 = 29,55 МДж. В случае капсул все немного сложнее. Возьмём температуру обитаемого отсека 21 °С, что равно 294 К. Криоотсек, как и в прошлой части будем считать коробкой 2,06/1,06/1,23 м [8]. Площадь составит 12 м^2 и по закону Стефана — Больцмана с данной площади можно излучить 5 кВт тепловой энергии. Предположим, что внешний слой криокамеры излучает данное тепло и 1% поглощается внутренним. Такого можно добиться, если из зазора между слоями откачать воздух, а внутренний блок, в котором плещется жидкий азот, покрыть пленкой из полированного серебра или вообще диэлектрическим зеркалом. Так же понадобится тепловой насос, ибо рабочая температура системы охлаждения обитаемого отсека составит порядка 25 °С или 298 К, против 70 К у криокапсул, и в идеальных условиях коэффициент трансформации составил бы 298 / (298 - 70) = 1,31, а отвести от одной капсулы придется 50 Вт, и тогда в систему охлаждения обитаемого отсека будет поступать 1,31 * 50 Вт / (1,31 - 1) = 211 Вт.       Собираем все вместе. 10 человек: 1368 Вт 2 аватара: 684 Вт 220 криокапсул: 46420 Вт И того: 48500 Вт       При рабочей температуре 25 °С мы сможем сбросит 447 Вт с квадратного метра, и нам понадобится радиатор площадью 108 м^2 или 54 м^2, если использовать обе стороны плиты. При длине обитаемого отсека 85,7 м это потребует плиты шириной 1,3 м. Другая схема - это три крыла площадью порядка 20м2 каждая. Четкой информации для определения массы радиатора найти не удалось. Один раз мелькнула цифра 3,1 кг / м^2 что даст 186 кг. Попытка провести самостоятельную оценку показала 357 кг. Использовал для радиатора калий. Хотел литий, но побоялся, что он не выдержит. Берем более крупную цифру.       Последнее, что сделаем в данной главе, это начнем разбирать корпус обитаемого отсека (двусмысленно звучит). Для начала зафиксируем следующее предположение. У обитаемого отсека три слоя. Внутренний - герметичный, внешний - противомикроастероидный, а между ними - антирадиационный. Снова взглянем на фотографию Звезды Риска с вики [1]. Длина обитаемой секции составляет 85,7 метров, радиус 30 метров. Для расчета толщины корпуса будем считать, что обитаемые секции - это три цилиндра со скругленными концами, диной 86 метров и радиусом 12,4 метров. Такой радиус выбран не случайно, так как четыре круга данного радиуса можно вписать в круг радиусом 30 метров, а секции не стоят впритык. Отсеки экипажа на центрифуге будем считать сферами, радиусом 12,4 метра. В качестве материала возьмем углеродные нанотрубки с прочность на разрыв 11 ГПа и плотностью 2200 кг/м^3. Можно было бы заставить экипаж дышать чистым кислородом при меньшем давлении, но как показала программа Аполлон - это плохая идея, так что оставим обычный воздух под давлением 1e5 Па.       Давление, которое должен выдержать герметичный корпус должно заставить 2е5 Па. Толщина сферической части корпуса должна составить (2е5 Па * 12,4 м) / (2 * 11е9 Па) = 1,1е-4 м. Толина цилиндрической - (20е5 Па * 12,4 м) / 11е9 Па = 2,3е-4 м.       Площадь сферического корпуса отсеков экипаж составит 4 * пи * (12,4 м)^2 = 1932 м^2. Площадь цилиндрической части корпуса - (86 м - 2 * 12,4 м) * 2 * пи * 12,4 м = 4768 м^2.       Масса герметичного корпуса отсека экипажа составит 1,1е-4 м * 1932 м^2 * 2200 кг/м^3 = 468 кг, а обитаемых секций - 467 кг + 2,3е-4 м * 4768 м^2 * 2200 кг/м^3 = 2880 кг.       Итог. Хотя в данном разборе победу одержала система на базе реактора Сабатье, предложенная схема на базе водорослей выиграет при более продолжительных перелетах. Так же, в теории, с ее помощью можно будет замкнуть круговорот питательных веществ, но кормить экипаж зеленой слизью - прямой путь к бунту на корабле.       В следующей части будет рассмотрена защита от радиации и микроастероидов.