محطة الفضاء الدولية (ISS)-هي قمر صناعي صالح للسكن يدور حول الأرض على ارتفاع حوالي 400 كيلومتر-تعتمد على نظام أكسجين متطور ومغلق-لدعم طاقمها المكون من 7 رواد فضاء (السعة القصوى) لعدة أشهر في المرة الواحدة. وعلى عكس الأرض، حيث يتوفر الأكسجين بكثرة في الغلاف الجوي، فإن الفضاء عبارة عن فراغ لا يحتوي على مصدر طبيعي للأكسجين. وهذا يعني أن محطة الفضاء الدولية يجب أن تقوم بإنتاج الأكسجين وتخزينه وتوزيعه وإعادة تدويره بالكامل على متن-المركبة، مع إدارة غازات النفايات أيضًا مثل ثاني أكسيد الكربون (CO₂). يعطي تصميم النظام الأولوية للموثوقية (لتجنب الأعطال التي تهدد الحياة-)، والكفاءة (لتقليل مهام إعادة الإمداد)، والقدرة على التكيف (للتعامل مع التغيرات في حجم الطاقم وأعطال المعدات). فيما يلي تفصيل شامل لنظام الأكسجين في محطة الفضاء الدولية، بما في ذلك مكوناته الأساسية ومبادئ العمل والتحديات وبروتوكولات النسخ الاحتياطي.
1. الحفاظ على جو صالح للسكن
قبل الخوض في التفاصيل التقنية، من المهم أن نفهم الهدف الأساسي لنظام الأكسجين في محطة الفضاء الدولية: الحفاظ على غلاف جوي يحاكي الغلاف الجوي للأرض قدر الإمكان. من أجل بقاء الإنسان على قيد الحياة، تتطلب محطة الفضاء الدولية ما يلي:
تركيز الأكسجين: 21% (نفس الغلاف الجوي للأرض)، وهو المستوى الأمثل للتنفس وتجنب نقص الأكسجة (انخفاض الأكسجين) أو التسمم بالأكسجين (ارتفاع الأكسجين).
ضغط: 101.3 كيلوباسكال (كيلو باسكال) أو 1 جو (atm)-ما يعادل ضغط مستوى سطح البحر- على الأرض. وهذا يمنع مرض تخفيف الضغط (وهو خطر يحدث عندما ينخفض الضغط كثيرًا) ويسمح لرواد الفضاء بالتنفس بشكل طبيعي دون معدات متخصصة (باستثناء أثناء السير في الفضاء).
تنقية الغاز: إزالة غازات النفايات مثل ثاني أكسيد الكربون (الناتج عن طريق التنفس) والملوثات النزرة (مثل المركبات العضوية المتطايرة من المعدات أو المواد الغذائية).
ولتحقيق ذلك، يعمل نظام الأكسجين في محطة الفضاء الدولية كـشبه-حلقة مغلقة-تنتج أكسجينًا جديدًا، وتعيد تدوير الأكسجين من مجاري النفايات، وتخزن الأكسجين الزائد لحالات الطوارئ، وتوزعه بالتساوي عبر وحدات المحطة.
2. نظام توليد الأكسجين (OGS)
المصدر الرئيسي للأكسجين في محطة الفضاء الدولية هونظام توليد الأكسجين (OGS)، وهو إعداد معياري طورته وكالة ناسا ووكالة روسكوزموس الروسية (بمساهمة من وكالة الفضاء الأوروبية، ووكالة الفضاء الأوروبية، ووكالة استكشاف الفضاء اليابانية، JAXA). يستخدم OGSالتحليل الكهربائي-نفس العملية الكيميائية المستخدمة في بعض مولدات الأكسجين الأرضية-لتقسيم الماء (H₂O) إلى أكسجين (O₂) وهيدروجين (H₂). فيما يلي تفصيل تفصيلي لمكوناته وتشغيله:
2.1 مكونات OGS
يتكون OGS من ثلاثة أنظمة فرعية رئيسية، يحتوي كل منها على أجهزة متخصصة:
جمعية معالجة المياه (WPA): قبل التحليل الكهربائي، يجب تنقية الماء لإزالة الملوثات (مثل الأملاح والمواد العضوية) التي يمكن أن تلحق الضرر بأقطاب OGS. تقوم WPA بجمع المياه من ثلاثة مصادر:
المياه المعاد تدويرها: المكثفات من هواء المحطة (بخار الماء الناتج عن التنفس والتعرق)، ومياه الصرف الصحي المعالجة (على سبيل المثال، من الأحواض والاستحمام)، والبول (الذي تتم معالجته بواسطة جمعية معالجة البول، UPA).
إعادة إمداد المياه: يتم تسليم المياه عبر مركبات الشحن الفضائية (على سبيل المثال، Dragon's SpaceX، وCygnus التابعة لشركة Northrop Grumman) كاحتياطي عندما تفشل أنظمة إعادة التدوير.
ماء خلية الوقود: ناتج ثانوي لخلايا الوقود السابقة للمحطة (المستخدمة لتوليد الكهرباء قبل تركيب المصفوفات الشمسية). في حين أن خلايا الوقود لم تعد مصادر الطاقة الأساسية، إلا أن المياه المتبقية منها لا تزال تستخدم إذا كانت متوفرة.
وحدة التحليل الكهربائي (EM): قلب OGS، EM يحتوي على اثنينخلايا التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب (SOECs)-أجهزة متقدمة تستخدم درجات حرارة عالية (600-800 درجة) لتقسيم الماء إلى أكسجين وهيدروجين. على عكس أنظمة التحليل الكهربائي التقليدية (التي تستخدم الإلكتروليتات السائلة)، تستخدم SOECs إلكتروليتًا سيراميكيًا صلبًا يكون أكثر كفاءة وصغرًا ومتانة في الفضاء. وإليك كيفية عمل العملية:
يتم تغذية المياه النقية إلى شركات نفط الجنوب على شكل بخار (يتم تبخيره لزيادة الكفاءة).
يتم تطبيق تيار كهربائي (من المصفوفات الشمسية لمحطة الفضاء الدولية) على أقطاب SOECs (الأنود والكاثود).
عند الأنود، يتفاعل البخار مع المنحل بالكهرباء السيراميكي لإنتاج غاز الأكسجين (O₂)، والإلكترونات، وأيونات الهيدروجين (H⁺).
تتدفق الإلكترونات عبر دائرة خارجية (تولد كمية صغيرة من الكهرباء الإضافية)، بينما تتحرك أيونات الهيدروجين عبر المنحل بالكهرباء إلى الكاثود.
عند الكاثود، تتحد أيونات الهيدروجين مع الإلكترونات لتكوين غاز الهيدروجين (H₂).
النظام الفرعي لمعالجة الأكسجين (OHS): بعد الإنتاج تتم معالجة وتوزيع الأكسجين من EM:
تبريد: يتم تبريد غاز الأكسجين الساخن (من SOECs) إلى درجة حرارة الغرفة باستخدام المبادلات الحرارية (المتصلة بنظام التحكم الحراري في محطة الفضاء الدولية).
تجفيف: تتم إزالة أي بخار ماء متبقي باستخدام المناخل الجزيئية (المشابهة لتلك الموجودة في مكثفات الأكسجين الأرضية-) لمنع التكثيف في أنابيب المحطة.
توزيع: يتم إرسال الأكسجين الجاف النقي (نقاوة 99.999%) إلى الغلاف الجوي لمحطة الفضاء الدولية عبر شبكة من الصمامات والأنابيب، حيث يتم خلطه مع الهواء الموجود للحفاظ على تركيزه 21%.
تنفيس الهيدروجين: لا تستخدم محطة الفضاء الدولية المنتج الثانوي للهيدروجين (نظرًا لأن المحطة تعمل بالطاقة الشمسية، وليس بخلايا وقود الهيدروجين) ويتم تنفيسه في الفضاء. وهذا هو الاختلاف الرئيسي عن المحطات الفضائية المبكرة مثل مير، التي استخدمت الهيدروجين لتوليد الكهرباء.
2.2 كفاءة وقدرة OGS
تم تصميم OGS لتلبية الطلب اليومي على الأكسجين في محطة الفضاء الدولية، والذي يبلغ حوالي 0.84 كجم (كجم) لكل رائد فضاء (أي ما يعادل ~588 لترًا من الأكسجين الغازي عند ضغط جوي واحد). بالنسبة لطاقم مكون من 7 أفراد، يبلغ إجمالي هذا حوالي 5.88 كجم من الأكسجين يوميًا. تتضمن مقاييس الأداء الرئيسية لـ OGS ما يلي:
معدل الإنتاج: يمكن لكل شركة SOEC أن تنتج حوالي 0.5 كجم من الأكسجين يوميًا، لذلك تنتج شركتا SOEC معًا حوالي 1 كجم يوميًا. ومع ذلك، يتم تشغيل النظام في وضع متدرج (أحد أجهزة SOEC نشط، والآخر في وضع الاستعداد) لتقليل التآكل، مما يؤدي إلى إنتاج صافي يصل إلى 0.5 كجم تقريبًا في اليوم. وهذا يعني أن نظام OGS وحده لا يمكنه تلبية طلب الطاقم بالكامل-وبالتالي الحاجة إلى مصادر أكسجين إضافية (راجع القسم 3).
كفاءة الطاقة: تتميز شركات SOEC بالكفاءة العالية، حيث تحول حوالي 80% من الطاقة الكهربائية إلى أكسجين (مقارنة بحوالي 60% لأنظمة التحليل الكهربائي التقليدية). وهذا أمر بالغ الأهمية لأن المصفوفات الشمسية في محطة الفضاء الدولية ذات قدرة محدودة (حوالي 120 كيلووات، كيلووات، من الطاقة لجميع الأنظمة).
مصداقية: يبلغ عمر تصميم OGS 15 عامًا (ممتدًا من السنوات العشر الأصلية) ويتضمن مكونات زائدة عن الحاجة (على سبيل المثال، SOECs الاحتياطية، والصمامات) لمنع الأعطال. منذ تركيبه في عام 2008 (كجزء من وحدة Node 3 الخاصة بمحطة الفضاء الدولية، Tranquility)، لم تواجه OGS سوى مشكلات بسيطة (مثل مرشحات المياه المسدودة) والتي تم حلها عن طريق استكشاف الأخطاء وإصلاحها عن بُعد.
3. الأنظمة الاحتياطية والتكميلية
على الرغم من أن نظام OGS هو المصدر الأساسي للأكسجين، فإن محطة الفضاء الدولية تعتمد على ثلاثة أنظمة ثانوية لضمان استمرار الإمداد -وهو أمر بالغ الأهمية عند حدوث خلل في نظام OGS أو أثناء ذروة الطلب (على سبيل المثال، عندما يزيد حجم الطاقم بشكل مؤقت).
3.1 خزانات الأكسجين المضغوط (الجزء الروسي)
يستخدم الجزء الروسي (RS) من محطة الفضاء الدولية-الذي يشتمل على وحدات مثل Zvezda (وحدة الخدمة) وNauka (وحدة المختبرات متعددة الأغراض)-خزانات الأكسجين المضغوطةكنسخة احتياطية. هذه الدبابات هي:
تصميم: خزانات أسطوانية مصنوعة من سبائك التيتانيوم (لتحمل الضغط العالي والإشعاع الفضائي) بسعة ~ 40 لترًا لكل منها. يقومون بتخزين الأكسجين كغاز-عالي الضغط (3000 رطل لكل بوصة مربعة، أو 20.7 ميجا باسكال)-نفس النوع المستخدم في خزانات الغوص الأرضية-ولكن تم تعديله ليناسب الفضاء.
إمداد: يتم تسليم الخزانات إلى محطة الفضاء الدولية عبر مركبات الشحن الفضائية الروسية (على سبيل المثال، Progress) ويتم ربطها بالمنافذ الخارجية لمحطة RS. تحمل كل مهمة Progress 2-3 دبابات، مما يوفر ما يقرب من 100-150 كجم من الأكسجين لكل مهمة (ما يكفي لدعم طاقم مكون من 7 أفراد لمدة 20-25 يومًا تقريبًا).
النشر: عندما يفشل نظام OGS، يفتح نظام دعم الحياة في RS الصمامات لإطلاق الأكسجين من الخزانات إلى الغلاف الجوي للمحطة. تُستخدم الخزانات أيضًا أثناء السير في الفضاء (EVA، النشاط خارج المركبة) لتزويد الأكسجين لبدلات رواد الفضاء.
3.2 شموع الأكسجين (مولدات الأكسجين الكيميائية)
في حالات الطوارئ (على سبيل المثال، فشل كبير في OGS مع تأخير في إعادة إمداد البضائع)، تستخدم محطة الفضاء الدوليةشموع الأكسجين-مولدات كيميائية مدمجة-تنتج الأكسجين عبر التفاعل الحراري. هذه الشموع هي:
تعبير: كل شمعة عبارة عن كتلة صلبة من كلورات الصوديوم (NaClO₃) ممزوجة بمحفز (مثل مسحوق الحديد) ووقود (مثل الألومنيوم). عند إشعالها، تتحلل كلورات الصوديوم عند درجات حرارة عالية (500-600 درجة) لإنتاج غاز الأكسجين وكلوريد الصوديوم (ملح الطعام).
سعة: شمعة واحدة (وزنها ~ 1 كجم) تنتج ~ 60 لترًا من الأكسجين (ما يكفي لرائد فضاء لمدة 10 ساعات تقريبًا). تحمل محطة الفضاء الدولية حوالي 100 شمعة، مخزنة في حاويات مقاومة للحريق في كل وحدة (على سبيل المثال، Zarya، Unity) لسهولة الوصول إليها.
أمان: تم تصميم شموع الأكسجين لتكون آمنة في الفضاء-فهي لا تنتج لهبًا مفتوحًا (حرارة فقط) كما أن المنتج الثانوي لكلوريد الصوديوم غير-سام (يتم جمعه في مرشح ويتم إزالته لاحقًا أثناء مهام الشحن). ومع ذلك، يتم استخدامها فقط كملجأ أخير نظرًا لقدرتها المحدودة والحاجة إلى التنشيط اليدوي.
3.3 دعم الحياة التجديدي: إعادة تدوير الأكسجين من ثاني أكسيد الكربون
محطة الفضاء الدوليةنظام التحكم البيئي ودعم الحياة (ECLSS)يتضمن مكونًا متجددًا يعمل على إعادة تدوير الأكسجين من ثاني أكسيد الكربون-مما يقلل الحاجة إلى إنتاج أكسجين جديد. ويتم ذلك عن طريقمجموعة إزالة ثاني أكسيد الكربون (CDRA)(الجزء الأمريكي) ونظام فوزدوخ(الجزء الروسي):
CDRA (الجزء الأمريكي): تستخدم عملية مكونة من -خطوتين تسمىامتصاص الماء الأميني الصلبلإزالة ثاني أكسيد الكربون وإنتاج الأكسجين:
امتصاص ثاني أكسيد الكربون: يتم ضخ الهواء من محطة الفضاء الدولية عبر طبقة من الأمين الصلب (مركب كيميائي يرتبط بثاني أكسيد الكربون). يحبس الأمين ثاني أكسيد الكربون، بينما يتم إرجاع الهواء النظيف (بدون ثاني أكسيد الكربون) إلى المحطة.
الامتزاز وإنتاج الأكسجين: عندما يتم تشبع الطبقة الأمينية، يتم تسخينها لتحرير ثاني أكسيد الكربون المحتجز. يتم بعد ذلك تفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الهيدروجين (من عملية التحليل الكهربائي لـ OGS) في أمفاعل ساباتير(مكون آخر من مكونات ECLSS) لإنتاج الماء (H₂O) والميثان (CH₄). يتم بعد ذلك إرسال الماء إلى OGS ليتم تقسيمه إلى أكسجين وهيدروجين، مما يؤدي إلى إنشاء حلقة مغلقة.
نظام فوزدوخ (الجزء الروسي): تستخدم عملية مشابهة ولكن باستخدام مادة كيميائية مختلفة (هيدروكسيد الليثيوم، LiOH) لامتصاص ثاني أكسيد الكربون. على عكس CDRA، لا يقوم نظام Vozdukh بإعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون إلى أكسجين-بدلاً من ذلك، يتم التخلص من LiOH بعد أن يصبح مشبعًا (يتم استبداله عبر بعثات الشحن). ومع ذلك، فهو أبسط وأكثر موثوقية من CDRA، مما يجعله نسخة احتياطية قيمة.
يقلل نظام التجديد من الطلب على الأكسجين في محطة الفضاء الدولية بنسبة ~40%-وهو زيادة مهمة في الكفاءة تقلل من الحاجة إلى مهام إعادة الإمداد. على سبيل المثال، بدون إعادة التدوير، ستحتاج المحطة إلى حوالي 9.8 كجم من الأكسجين يوميًا لسبعة رواد فضاء؛ ومع إعادة التدوير، ينخفض هذا إلى 5.88 كجم تقريبًا.
4. ضمان المرونة في حالات الطوارئ
بالإضافة إلى المصادر الثانوية، خصصت محطة الفضاء الدولية أنظمة لتخزين الأكسجين للتعامل مع ذروة الطلب وحالات الطوارئ. تم تصميم هذه الأنظمة لتخزين الأكسجين في شكلين: الغاز والسائل عالي الضغط-.
4.1-تخزين الغاز عالي الضغط (القطاع الأمريكي)
القطاع الأمريكي-خزانات الغاز ذات الضغط العاليتقع في وحدتي العقدة 1 (الوحدة) والعقدة 3 (الهدوء). هذه الدبابات:
تصميم: خزانات كروية مصنوعة من مادة إنكونيل (سبائك-من النيكل والكروم مقاومة للتآكل ودرجات الحرارة المرتفعة) بسعة تصل إلى 150 لترًا تقريبًا لكل منها. يقومون بتخزين الأكسجين عند 6000 رطل لكل بوصة مربعة (41.4 ميجا باسكال)-ضعف ضغط خزانات القطاع الروسي-مما يسمح بتخزين المزيد من الأكسجين في مساحة أصغر.
سعة: يحتوي كل خزان على ما يقرب من 100 كجم من الأكسجين (يكفي 7 رواد فضاء لمدة 17 يومًا تقريبًا). يحتوي الجزء الأمريكي على 4 خزانات من هذا النوع، مما يوفر احتياطيًا إجماليًا يبلغ حوالي 400 كجم (يكفي لمدة 68 يومًا تقريبًا).
حالة الاستخدام: يتم استخدام هذه الخزانات لتكملة نظام OGS أثناء ذروة الطلب (على سبيل المثال، عندما يكون اثنان من رواد الفضاء في مهمة سير في الفضاء، مما يزيد من استهلاك الأكسجين بنسبة ~ 50%) وكنسخة احتياطية في حالة فشل نظام OGS. يتم استخدامها أيضًا لإعادة ضغط المحطة بعد السير في الفضاء (نظرًا لفقد بعض الهواء أثناء النشاط خارج المركبة).
4.2 تخزين الأكسجين السائل (LOX) (في حالات الطوارئ فقط)
بالنسبة لحالات الطوارئ-طويلة الأمد (على سبيل المثال، فشل OGS لمدة شهر-طويل)، يمكن لمحطة الفضاء الدولية تخزينالأكسجين السائل (LOX)-نفس الشكل المستخدم في وقود الصواريخ. يتم تخزين LOX في:
تصميم: خزانات ذات جدران مزدوجة- مع طبقة عازلة مفرغة للحفاظ على LOX عند -183 درجة (نقطة الغليان عند 1 atm). الخزانات صغيرة (حوالي 50 لترًا لكل منها) نظرًا للمساحة المحدودة في المحطة.
سعة: يحتوي خزان LOX سعة 50 لترًا على ما يقرب من 60 كجم من الأكسجين (نظرًا لأن كثافة LOX تبلغ 1.141 كجم/لتر)، وهو ما يكفي لسبعة رواد فضاء لمدة 10 أيام تقريبًا. تمتلك محطة الفضاء الدولية خزانين من هذا النوع، يوفران إجمالي 120 كجم تقريبًا (يكفي لمدة 20 يومًا تقريبًا).
التحديات: تخزين LOX في الفضاء أمر صعب لأن درجة حرارة المحطة تتقلب (من -120 درجة في الظل إلى 120 درجة في ضوء الشمس)، مما يتسبب في غليان (تبخر) بعض LOX. ولتقليل الغليان إلى الحد الأدنى، تم تجهيز الخزانات بسخانات تنظم درجة الحرارة وصمام تخفيف الضغط الذي يقوم بتنفيس الغاز الزائد (الذي يتم بعد ذلك احتجازه واستخدامه في الغلاف الجوي للمحطة).
5. ضمان العرض الموحد عبر الوحدات
محطة الفضاء الدولية عبارة عن شبكة معقدة مكونة من 16 وحدة (اعتبارًا من عام 2024)، بما في ذلك أماكن المعيشة (على سبيل المثال، Crew Quarters)، والمختبرات (على سبيل المثال، كولومبوس، وكيبو)، ووحدات الخدمة (على سبيل المثال، زفيزدا، وناوكا). للتأكد من أن كل وحدة تحتوي على تركيز أكسجين ثابت بنسبة 21%، تستخدم المحطة أنظام التوزيع المركزيمع المكونات التالية:
5.1 مراوح دوران الهواء
تحتوي كل وحدة على 4-6مراوح دوران الهواءالتي تحرك الهواء بمعدل ~ 1 متر مكعب في الدقيقة. هؤلاء المشجعين:
منع جيوب الهواء الراكدة (التي قد تؤدي إلى انخفاض مستويات الأكسجين في زوايا الوحدة).
قم بخلط الأكسجين المنتج حديثاً مع الهواء الموجود للمحافظة على تركيز 21%.
ادفع الهواء عبر أنظمة CDRA/Vozdukh لإزالة ثاني أكسيد الكربون والملوثات.
تعتبر المراوح ضرورية لأنه في حالة الجاذبية الصغرى (انعدام الوزن)، لا يدور الهواء بشكل طبيعي (كما هو الحال على الأرض بسبب الحمل الحراري). وبدون المراوح، يمكن أن يعاني رواد الفضاء من نقص الأكسجة في المناطق البعيدة عن مصدر الأكسجين.
5.2 الصمامات والأنابيب
شبكة منأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ(قطره من 2 إلى 4 بوصات) يربط OGS وصهاريج التخزين والوحدات. تم تجهيز كل أنبوب بما يلي:
صمامات الملف اللولبي: صمامات يتم التحكم فيها كهربائيًا، تفتح وتغلق لتنظيم تدفق الأكسجين. هذه الصمامات زائدة عن الحاجة (يحتوي كل أنبوب على صمامين) لمنع التسربات.
مجسات الضغط: مراقبة الضغط في الأنابيب للتأكد من مطابقته للضغط الجوي للمحطة (101.3 كيلو باسكال). إذا انخفض الضغط (على سبيل المثال، بسبب تسرب)، تطلق أجهزة الاستشعار إنذارًا وتغلق الصمامات المتضررة.
المرشحات: قم بإزالة الغبار والحطام من الأكسجين لمنع تلف المراوح وأنظمة دعم الحياة.
5.3 الوحدة-منظمات محددة
كل وحدة لديهامنظم الضغطالذي يضبط تدفق الأكسجين إلى الوحدة بناءً على حجمها وإشغالها. على سبيل المثال:
تتطلب الوحدات الصغيرة (على سبيل المثال، أماكن الطاقم، التي يبلغ حجمها ~ 10 أمتار مكعبة) معدل تدفق أقل (~ 0.1 كجم من الأكسجين يوميًا) مقارنة بالوحدات الكبيرة (على سبيل المثال، مختبر كولومبوس، الذي يبلغ ~ 75 مترًا مكعبًا، ويتطلب ~ 0.5 كجم يوميًا).
كما تضمن الجهات التنظيمية أيضًا بقاء ضغط الوحدة عند 101.3 كيلو باسكال، حتى لو تم إعادة ضغط الوحدات الأخرى (على سبيل المثال، بعد السير في الفضاء).
