Težave s kisikom za astronavte

Nazaj

27. januarja 1967 se je zgodila katastrofa. Astronavti Roger Chaffee, Ed White in Gus Grissom so na krovu Apolla 1 delali simulacijo izstrelitve v orbito, ki je bila načrtovana za 21. februar. To je bila prva misija v okviru programa Apollo, katerega cilj je bil ponesti človeško posadko na Luno. Vendar Apollo 1 ni nikoli poletel. Takoj po prihodu v kabino je Grissom začutil vonj, za katerega je rekel, da ga je spominjal na »kisli pinjenec«. Pozneje so imeli težave s komunikacijo s kontrolnim stolpom. Odštevanje do simulirane izstrelitve je bilo tako kar dvakrat začasno prekinjeno do 18.30 po lokalnem času. Le minuto po ponovnem pričetku odštevanja pa se je zaslišal Grissomov krik »Hej! Ogenj!«. Kričanje astronavtov je prenehalo 12 sekund pozneje. Čeprav je bila na prizorišče nemudoma poslana reševalna ekipa, pa ta iz različnih razlogov ni mogla takoj do astronavtov. Med drugim je zračni tlak v kabini zaradi požara narastel na skoraj dve atmosferi, kar je začasno onemogočilo odpiranje vhodne lopute.

Poznejša analiza je pokazala več vzrokov, ki so skupaj vodili do tragedije. Zaradi napak na električni napeljavi naj bi se v kabini pojavile iskre. To pa je bilo usodno iz še enega razloga – po zaprtju lopute so zrak v kabini v kateri so se nahajali astronavti zamenjali s 100 % kisikom pri tlaku 115 kPa, kar je 14 kPa več od tlaka ob morski gladini. To pa pomeni, da je bil tlak kisika kar petkrat večji od delnega tlaka kisika v atmosferi, kar je ustvarilo okolje, kjer so popolnoma običajni materiali postali izjemno vnetljivi.

Obstajala sta dva razloga za povišan tlak v kabini – visok tlak je bil nujen za to, da se začetno atmosfero zamenja s čistim kisikom, obenem pa je bila loputa kabine bila narejena tako, da je ravno tlačna razlika med zunanjim tlakom in tistim v kabini povzročila, da je loputa dodobra zapečatila. Načrtovano je bilo, da bi se med izstrelitvijo tlak v kabini zmanjšal na 34 kPa, kar bi astronavtom omogočalo normalno dihanje, pri čemer pa bi nevarnost požara praktično izginila.

Razlogov, zakaj se je NASA odločila za atmosfero iz 100 % kisika je več. Ljudje namreč zlahka dihamo čisti kisik pri tlaku 34 kPa, kar je sicer primerljivo z atmosferskim tlakom na nadmorski višini 8300 metrov. Nižji tlak v kabini pomeni tudi manjšo tlačno razliko med notranjostjo in zunanjostjo vesoljskega plovila v vakuumu. Odsotnost dušika pomebno zmanjša nevarnost zaradi dekompresijske bolezni. Do te lahko pride v primeru nenadnega znižanja tlaka, pri čemer se dušik v krvi izloči v obliki mehurčkov, kar povzroči bolečine v sklepih in kosteh, v hujših primerih pa tudi paralizo in smrt. Obstajal pa je še en razlog – v preteklosti je namreč NASA načrtovala drugačno zasnovo, po kateri naj bi bila kabina napolnjena z mešanico kisika in dušika, kar bi zmanjšalo nevarnost požara, obenem pa bi astronavti, oblečeni v skafandre, dihali čisti kisik. Tlak v kabini bi bil višji od tistega, ki bi ga dihali astronavti. Ta tlačna razlika pa je 21. aprila 1960 med testiranjem kabine sonde Mercury povzročila uhajanje dušika v skafander testnega pilota G. B. Northa, kar je vodilo do zmanjšanja koncentracije kisika, ki ga je pilot dihal, pri čemer bi le-ta skorajda umrl. NASINI strokovnjaki so tako ocenili, da je 100 % kisik varnejši. K temu jih je napeljevalo tudi dejstvo, da v breztežnosti ni konvekcije, zaradi česar se ogenj, ki bi se morebiti pojavil v kabini, ne bi usodno razširil.

Nesreča Apolla 1 je vodila do pomembnih sprememb. Marca leta 1968 je NASA razglasila, da bo na misiji Apollo 7, prvi s posadko v okviru programa Apollo, uporabljena mešanica sestavljena iz 60 % kisika in 40 % dušika. Med samo izstrelitvijo Apolla 7 se je tlak v kabini zmanjšal z 1 atmosfere na 34 kPa, mešanico obeh plinov pa je v obdobju 24 ur nadomestil čisti kisik.

Poznejše misije

Misije Apollo so bile relativno kratkotrajne. Apollo 11, ki je pristala na Luni, je trajala le devet dni. Take misije na krovu nosijo zaloge kisika, ki ga nato dihajo astronavti. To pa ni opcija za dolgotrajnejše misije, kot je bila sovjetska vesoljska postaja Mir oziroma kot je njena naslednica Mednarodna vesoljska postaja.

Vesoljska postaja Mir je delovala v letih od 1986 do 2001. Astronavti na njej so dihali zrak, ki je bil po sestavi zelo podoben Zemljini atmosferi, tlak v Miru pa je bil enak tistemu na morski gladini. Za kvaliteto zraka sta skrbela dva sistema. Elektron je proizvajal kisik z elektrolizo vode. To je proces, ko ob prisotnosti enosmernega električnega toka molekule vode razpadejo na kisik in vodik. Vodik je nato odvržen v vesolje, kisik pa je preusmerjen v notranjost postaje. V primeru, da bi Elektron zatajil, je bil na voljo sistem Vika. To so bile nekakšne pločevinke, v katerih je bilo shranjenega po liter litijevega perklorata, LiClO4, ter posebna zažigalna snov. Ko se je ta snov vnela se je iz pločevinke sproščal kisik. Vsaka pločevinka je gorela od 5 do 20 minut pri temperaturi med 450 do 500 ºC, pri čemer se je sprostilo 600 litrov molekularnega kisika, kar je enemu astronavtu zadostovalo za 24 ur. Sistem Vika so na Miru uporabljali, ko so na njej bivali več kot trije astronavti. Še en sistem, imenovan Vozdukh je na postaji Mir iz zraka odstranjeval ogljikov dioksid.

Ni odveč če povemo, da sta tako Elektron kot Vika večkrat odpovedala. Tako je februarja 1997 ena od pločevink pozvročila požar, ki je gorel okrog 14 minut, pri čemer je ogenj blokiral zasilni izhod v plovilo Soyuz. Klub vsemu se tako Elektron kot Vika danes uporabljata kot vir kisika na Mednarodni vesoljski postaji in sicer v ruskem modulu Zvezda.

Bodoče misije

Danes se veliko govori o bodočih misijah na Luno ter Mars. Pred kratkim je velik odziv javnosti sprožila novica, da naj bi bodoči prebivalci našega naravnega satelita kisik pridelovali lokalno in sicer kar iz Luninega regolita. Regolit je najbolj zgornja plast materiala, ki se nalaga na površini kamnin. Na Zemlji se tvori kot posledica preperevanja skalne podlage zaradi izpostavljenosti vremenskim razmeram. Na telesih brez ozračja, kot je na primer Luna, regolit nastane zaradi izpostavljenosti padcem majhih in velikih meteoritov. Lunin regolit sestavljajo delci manjši od 1 cm, njegova gostota pa znaša približno 1,5 g/cm³. Sestavljajo ga različni oksidi – železov, manganov, magnezijev, kalcijev, titanijev, kromov, itd. Po teži kar 40-45 % Luinega regolita predstavlja kisik. Nekatere študije so pokazale, da bi količina kisika v Luninem regolitu osmim milijardam ljudem zadostovala za 100.000 let.

Evropska vesoljska agencija je že naredila prve korake v smeri pridobivanja kisika iz Luninega regolita. Pri tem so uporabili snov, po kemični sestavi podobno Luninemu regolitu in jo ob prisotnosti kalcijevega klorida segreli na 950 ˚C. Kalcijev klorid se je pri tem stalil, medtem ko je regolit ostal v trdnem agregatskem stanju. Ko so nato skozi to mešanico spustili električni tok, se je sproščal kisik. Kar 75 % vsega kisika se je sprostilo v prvih 15 urah, po pretečenih 50 urah pa se je sprostilo kar 96 % tega plina. Še ena dobra plat pridobivanja kisika iz regolita je, da je na ta način možno pridobiti tudi kovine, ki se nahajajo v regolitu. Tako podjetje Metalysis že uporablja skoraj identično metodo za komercialno proizvodnjo kovin in zlitin.

Tudi na Marsu so bili že narejeni prvi koraki v smeri pridobivanja kisika. Znanstvenikom je uspelo z eksperimentom MOXIE na krovu roverja Perseverance pridobiti kisik iz ogljikovega dioksida. Slednji predstavlja kar 96 % Marsovega ozračja. MOXIE je med prvim poskusom proizvedel 5 gramov kisika, kar poprečni osebi zadošča za deset minut. Pozneje je MOXIE že proizvajal 10 gramov kisika na uro. Obstajajo pa tudi načrti za pridobivanje kisika iz Marsovega regolita, konkretno iz magnezijevega perklorata v prisotnosti zelo koncentrirane slanice, ki lahko ostane v tekočem agregatnem stanju pri temperaturah do -70º C, kar je 7º C hladneje od povprečne temperature na rdečem planetu. Raziskovalci z Univerze Washinton so tako že razvili sistem, ki bo morda nekoč bodočim obiskovalcem rdečega planeta omogočal dihanje. Pokazali so, da njihov sistem lahko ob isti porabi energije proizvede 25 krat več kisika kot MOXIE.

Literatura

1. Emmanuelli, Matteo (2014), “The Apollo 1 Fire”, Space Safety Magazine
2. Kelly A. Giblin, Fire in the cockpit!, Invention & Technology Magazine, 1998, dostopno na http://www.americanheritage.com/articles/magazine/it/1998/4/1998_4_46.shtml
3. Apollo1, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Apollo_1
4. Decompression Sickness, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Decompression_sickness
5. Decompression Sickness, https://www.drugs.com/health-guide/decompression-sickness.html
6. Mir, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Mir
7. Vika oxygen generator, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Vika_oxygen_generator
8. David Harland (30 November 2004). The Story of Space Station Mir. New York: Springer-Verlag New York Inc. ISBN 978-0-387-23011-5
9. The Chemical Composition of Lunar Soil, Washington University of St. Luis,

The Chemical Composition of Lunar Soil

10. Oxygen and metal from lunar regolith, Evropska vesoljska agencija, https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2019/10/Oxygen_and_metal_from_lunar_regolith
11. Turning Moon dust into oxygen, Evropska vesoljska agencija, https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Turning_Moon_dust_into_oxygen
12. Lomax, B.A., Just, G.H., McHugh, P.J. et al. Predicting the efficiency of oxygen-evolving electrolysis on the Moon and Mars. Nat Commun 13, 583 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-28147-5
13. Rasera J N, Cilliers J J, Lamamy J A and Hadler K 2020 The beneficiation of lunar regolith for space resource utilisation: a review Planet. Space Sci. 186 104879, https://doi.org/10.1016/j.pss.2020.104879
14. Lomax, B. A. et al. Proving the viability of an electrochemical process for the simultaneous extraction of oxygen and production of metal alloys from lunar regolith. Planet. Space Sci. 180, 104748 (2020), https://doi.org/10.1016/j.pss.2019.104748.
15. NASA’s Perseverance Mars Rover Extracts First Oxygen From Red Planet, NASA Science MARS Exploration Program, https://mars.nasa.gov/news/8926/nasas-perseverance-mars-rover-extracts-first-oxygen-from-red-planet/
16. Fuel and Oxygen Harvesting with New Perchlorate Salt Water Electrolysis Method from Martian Regolith, MarsU, https://www.marsu.space/post/fuel-and-oxygen-harvesting-with-perchlorate-salt-water-electrolysis-from-martian-regolith