Протекание жизненных процессов в человеческом организме основано на преобразовании одних форм энергии в другие, которое сопровождается химическими превращениями веществ. Так, при совершении мускульной работы входящие в состав человеческого организма углеводы и жиры (вещества с высоким уровнем энергии) превращаются в воду и углекислый газ (вещества с низким уровнем энергии). Освобождающаяся при этом энергия идет на получение полезной механической работы. Кроме того, часть энергии выделяется и рассеивается в виде тепла. Убыль энергии восполняется затем вводом в организм новых жиров и углеводов. Это пример одного из многочисленных проявлений так называемого метаболизма — круговорота веществ в живом организме при взаимодействии его с внешней средой.
Количественные отношения, в которых совершается процесс обмена веществ, во многом зависят от состояния окружающей среды, например от температуры. Но прежде всего они определяются родом жизнедеятельности. Достаточно сказать, что часовое потребление кислорода человеком может изменяться в среднем от 15 л при полном покое (сон) до 75 л и более при тяжелой физической работе.
Однако для уяснения требований, предъявляемых к системе жизнеобеспечения экипажа ОКС, обычно рассматривают некоторые средние нормы. Примером таких осредненных норм суточного круговорота веществ в организме человека могут служить данные, представленные в виде диаграммы на рис. 25 [16]. Приведенная диаграмма составлена из предположения, что вес человека равен 70 кг, суточный рацион питания состоит из 80 г белков, 270 г углеводов и 150 г жиров, а отношение массы вдыхаемого кислорода к массе выдыхаемого углекислого газа составляет 0,82. Рассматривая диаграмму, можно прийти к двум важным выводам. Во-первых, масса всех вводимых в организм веществ равняется массе всех выделяющихся продуктов жизнедеятельности; другими словами, процесс обмена веществ у здорового взрослого человека, вес которого практически остается неизменным, совершается при строгом массовом балансе. Во-вторых, воды выделяется несколько больше, чем вводится. Увеличение массы воды происходит за счет окислительных процессов пищеварения. Количество этой «лишней» воды зависит от типа пищи. Жиры, в частности, создают больший прирост воды, нежели белки и углеводы.
Таким образом, для поддержания постоянства весового баланса веществ, который на Земле вполне естествен, на борту ОКС должна постоянно действовать заранее рассчитанная система обеспечения жизнедеятельности человека. Такая система называется экологической.
Рис. 25. Диаграмма суточного круговорота веществ в организме человека
Важно тщательно предусмотреть все факторы, влияющие на процесс обмена веществ. Выгодно ли, например, увеличить в рационе космонавта процент высококалорийных жиров? Казалось бы, да — ведь это позволит снизить вес запасаемых на борту продуктов питания. Но оказывается, что увеличение в рационе количества жиров будет повышать содержание воды в атмосфере кабины, а следовательно, потребует и дополнительного влагопоглощающего оборудования. Таким образом, исходя из требования минимального веса всей экологической системы можно будет найти оптимальные решения.
Приступая к разработке принципов построения экологических систем для полетов в космос, ученые обращаются прежде всего к идеальному прототипу таких систем, которым служит созданный самой природой, «космический корабль» — наша планета. На Земле осуществляется замкнутый круговорот всех необходимых для жизни веществ: постоянно расходуются и вновь регенерируются вода и азот, циклически совершаются превращения кислорода в углекислый газ при дыхании животных и углекислого газа в кислород при фотосинтезе в растениях и т. д.
Возникает вопрос: можно ли хотя бы в какой-то мере скопировать эти процессы в экологической системе ОКС? Ведь запастись всеми нужными для жизни продуктами в достаточном количестве для длительного пребывания людей в космосе очень сложно. Это потребует огромного количества транспортных ракет, тем более что вес потребного запаса быстро возрастает с увеличением численности экипажа и времени полета.
Разумеется, какой-то первоначальный запас надо иметь в любом случае. Однако если при кратковременном полете в космос можно пойти на то, чтобы полностью расходовать этот запас, заботясь лишь об удалении продуктов жизнедеятельности из кабины, то обеспечение продолжительного пребывания человека в космосе заставляет подумать о способах регенерации продуктов жизнедеятельности для повторного их использования. Это означает, например, что надо иметь такие материалы для поглощения углекислого газа и влаги, которые допускали бы многократное применение их после регенерации. Еще лучше, если они будут при этом в достаточном количестве выделять новые порции необходимого для человека кислорода. Ставится и более сложная задача получения пищевых продуктов из остатков процесса жизнедеятельности: сахара и крахмала — из углекислого газа и воды, белков — из азотсодержащихся веществ мочевины.
Главной проблемой при создании экологической системы ОКС является поддержание в кабине нормального давления и состава атмосферы, а также ее температуры и влажности. При этом давление в кабине может быть и меньше атмосферного, но не ниже 0,7 кг/см2. Парциальное давление кислорода необходимо поддерживать близким к давлению на уровне моря (158 мм рт. ст.). Давление других газов, присутствующих обычно в земной атмосфере, соответствующее их содержанию, не должно превышать следующих норм: для углекислого газа — 4–8 мм рт. ст., паров воды — 5-12 мм рт. ст.
В настоящее время существует несколько способов поддержания нормального состава атмосферы в герметических кабинах. Все они сводятся к одному — к созданию запаса кислорода и средств для поглощения углекислого газа и воды.
Самый простой способ обеспечения экипажа кислородом — это создание на борту ОКС его запасов в газообразном или жидком виде. Но хранение газообразного кислорода приводит к большому «мертвому» весу металлических баллонов. Так, например, вес газообразного кислорода обычно составляет только 10–20 % полного веса снаряженных баллонов.
Жидкий кислород хранится в специальных сосудах — конверторах. Однако хранение его в условиях космического полета сопряжено с некоторыми техническими трудностями. В частности, необходимо иметь очень хорошую тепловую изоляцию конверторов с жидким кислородом для уменьшения потерь на испарение.
Перспективным представляется получение кислорода непосредственно на борту ОКС из продуктов, запасенных на Земле, хранение которых в количествах, достаточных для обеспечения кислородом, не вызывает больших трудностей.
Такими химическими соединениями, которые при реагировании с другими веществами выделяют кислород, вполне пригодный для дыхания, являются перекись водорода (Н2О2), хлорат натрия (NaClO3), перекись натрия (Na2О2) и др. Правда, с точки зрения весовой отдачи химические источники кислорода занимают пока промежуточное положение между баллонами с газообразным кислородом и жидкостными конверторами.
Использование химических соединений для кислородного снабжения экипажа ОКС может дать и другие преимущества. Некоторые из этих веществ могут не только выделять кислород, но и образовывать продукты, способные поглощать углекислый газ, частично влагу, также уничтожать вирусы и бактерии. Примером такого соединения служит перекись калия КО2. При взаимодействии перекиси калия с водяными парами протекает следующая реакция:
4КО2+2Н2О = 4КОН+3О2.
Как видно из уравнения этой реакции, кроме трех молекул О2, образуется еще четыре молекулы гидроокиси калия, которые можно затем использовать для поглощения углекислого газа:
4КОН+2СО2 = 2К2СО3+2Н2О.
Кстати, для поглощения углекислого газа давно уж используют гидроокиси щелочных металлов — натрия калия, кальция, бария или лития. Правда, при поглощении углекислого газа гидроокисью какого-либо щелочного металла образуется вода, часть которой испаряется и должна удаляться другими влагопоглотителями.
Существует также метод удаления углекислого газа основанный на высокой растворимости его в некоторых жидкостях. Этот метод, широко применяющийся на подводных лодках, требует довольно тяжелых и громоздки; установок, что делает его малопригодным для использования в космосе.
В качестве влагопоглотителей для герметической кабины предлагается целый ряд химических веществ Обычные поглотители воды — окислы кальция или бария и широко использующийся в авиации и быту силикагель — требуют от 7 до 10 единиц собственного веса для поглощения одной весовой единицы воды. Значительно выгоднее в весовом отношении перхлорат магния и хлорид лития, требующие лишь 2–3 единицы собственного веса на единицу веса поглощаемой воды. Перхлорат магния может к тому же регенерироваться, т. е. восстанавливаться нагреванием. Правда, это потребует специальных мер предосторожности, так как перхлорат магния при контакте с парами органических веществ и высокой температуре становится взрывоопасным.
