Trạm vũ trụ quốc tế (ISS)-một vệ tinh nhân tạo có thể ở được quay quanh Trái đất ở độ cao ~400 km-dựa vào hệ thống oxy vòng-tinh vi, khép kín để duy trì phi hành đoàn gồm 7 phi hành gia (sức chứa tối đa) trong nhiều tháng cùng một lúc. Không giống như Trái đất, nơi có nhiều oxy trong khí quyển, không gian là chân không không có nguồn oxy tự nhiên. Điều này có nghĩa là ISS phải sản xuất, lưu trữ, phân phối và tái chế oxy hoàn toàn trên-trên tàu, đồng thời quản lý các loại khí thải như carbon dioxide (CO₂). Thiết kế của hệ thống ưu tiên độ tin cậy (để tránh những hư hỏng đe dọa tính mạng), tính hiệu quả (để giảm thiểu các nhiệm vụ tiếp tế) và khả năng thích ứng (để xử lý những thay đổi về quy mô phi hành đoàn và trục trặc của thiết bị). Dưới đây là thông tin chi tiết toàn diện về hệ thống oxy của ISS, bao gồm các thành phần cốt lõi, nguyên tắc làm việc, thách thức và giao thức dự phòng.
1. Duy trì bầu không khí có thể sống được
Trước khi đi sâu vào các chi tiết kỹ thuật, điều quan trọng là phải hiểu mục tiêu chính của hệ thống oxy ISS: duy trì bầu khí quyển giống Trái đất nhất có thể. Để con người sống sót, ISS yêu cầu:
Nồng độ oxy: 21% (giống như bầu khí quyển Trái đất), là mức tối ưu cho quá trình hô hấp và tránh tình trạng thiếu oxy (oxy thấp) hoặc ngộ độc oxy (oxy cao).
Áp lực: 101,3 kilopascal (kPa) hoặc 1 atm (atm)-tương đương với áp suất mực nước biển-trên Trái đất. Điều này ngăn ngừa bệnh giảm áp (nguy cơ khi áp suất giảm quá thấp) và cho phép các phi hành gia thở bình thường mà không cần thiết bị chuyên dụng (ngoại trừ khi đi bộ ngoài không gian).
Chà khí: Loại bỏ các khí thải như CO₂ (được tạo ra từ quá trình hô hấp) và các chất gây ô nhiễm dạng vết (ví dụ: các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi từ thiết bị hoặc thực phẩm).
Để đạt được điều này, hệ thống oxy của ISS hoạt động như mộtvòng lặp nửa kín-nó tạo ra oxy mới, tái chế oxy từ dòng chất thải, lưu trữ lượng oxy dư thừa trong trường hợp khẩn cấp và phân phối đều khắp các mô-đun của trạm.
2. Hệ thống tạo oxy (OGS)
Nguồn oxy chính của ISS làHệ thống tạo oxy (OGS), một thiết lập mô-đun được phát triển bởi NASA và Roscosmos của Nga (với sự đóng góp của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, ESA và Cơ quan Thám hiểm Hàng không Vũ trụ Nhật Bản, JAXA). OGS sử dụngđiện phân-quy trình hóa học tương tự được sử dụng trong một số máy tạo oxy-trên Trái đất{2}}để tách nước (H₂O) thành oxy (O₂) và hydro (H₂). Dưới đây là bảng phân tích chi tiết về các thành phần và hoạt động của nó:
2.1 Các thành phần của OGS
OGS bao gồm ba hệ thống con chính, mỗi hệ thống có phần cứng chuyên dụng:
Hội xử lý nước (WPA): Trước khi điện phân, nước phải được lọc để loại bỏ các chất gây ô nhiễm (ví dụ: muối, chất hữu cơ) có thể làm hỏng các điện cực của OGS. WPA thu thập nước từ ba nguồn:
Nước tái chế: Nước ngưng tụ từ không khí của trạm (hơi nước từ hô hấp và đổ mồ hôi), nước thải đã qua xử lý (ví dụ từ bồn rửa, vòi hoa sen) và nước tiểu (được xử lý bởi Cơ quan xử lý nước tiểu, UPA).
Tiếp nước: Nước được cung cấp qua tàu vũ trụ chở hàng (ví dụ: Dragon của SpaceX, Cygnus của Northrop Grumman) để dự phòng khi hệ thống tái chế bị hỏng.
Nước tế bào nhiên liệu: Sản phẩm phụ của pin nhiên liệu trước đây của trạm (được sử dụng để tạo ra điện trước khi lắp đặt các mảng năng lượng mặt trời). Mặc dù pin nhiên liệu không còn là nguồn năng lượng chính nhưng lượng nước dư thừa của chúng vẫn được sử dụng nếu có.
Mô-đun điện phân (EM): Trái tim của OGS, EM chứa haiTế bào điện phân oxit rắn (SOEC)-thiết bị tiên tiến sử dụng nhiệt độ cao (600–800 độ ) để tách nước thành oxy và hydro. Không giống như các hệ thống điện phân truyền thống (sử dụng chất điện phân lỏng), SOEC sử dụng chất điện phân gốm rắn hiệu quả hơn, nhỏ gọn và bền hơn trong không gian. Đây là cách quá trình hoạt động:
Nước tinh khiết được đưa vào SOEC dưới dạng hơi nước (làm bay hơi để tăng hiệu suất).
Một dòng điện (từ các mảng năng lượng mặt trời của ISS) được đưa vào các điện cực của SOEC (cực dương và cực âm).
Ở cực dương, hơi nước phản ứng với chất điện phân gốm để tạo ra khí oxy (O₂), electron và ion hydro (H⁺).
Các electron chạy qua mạch ngoài (tạo ra một lượng điện bổ sung nhỏ), trong khi các ion hydro di chuyển qua chất điện phân đến cực âm.
Ở cực âm, các ion hydro kết hợp với các electron tạo thành khí hydro (H₂).
Hệ thống phụ xử lý oxy (OHS): Sau khi sản xuất, oxy từ EM được xử lý và phân phối:
làm mát: Khí oxy nóng (từ SOEC) được làm lạnh đến nhiệt độ phòng bằng bộ trao đổi nhiệt (kết nối với hệ thống kiểm soát nhiệt của ISS).
Sấy khô: Hơi nước còn sót lại sẽ được loại bỏ bằng cách sử dụng các sàng phân tử (tương tự như các bộ lọc trong máy cô đặc oxy trên Trái đất) để ngăn chặn sự ngưng tụ trong các đường ống của trạm.
Phân bổ: Oxy khô, tinh khiết (độ tinh khiết 99,999%) được gửi đến bầu khí quyển của ISS thông qua mạng lưới van và đường ống, hòa trộn với không khí hiện có để duy trì nồng độ 21%.
Thông hơi hydro: Sản phẩm phụ hydro không được ISS sử dụng (vì trạm chạy bằng năng lượng mặt trời, không phải pin nhiên liệu hydro) và được thải vào không gian. Đây là điểm khác biệt chính so với các trạm vũ trụ thời kỳ đầu như Mir, vốn sử dụng hydro để tạo ra điện.
2.2 Hiệu quả và năng lực của OGS
OGS được thiết kế để đáp ứng nhu cầu oxy hàng ngày của ISS, là ~0,84 kg (kg) cho mỗi phi hành gia (tương đương với ~588 lít khí oxy ở áp suất 1 atm). Đối với phi hành đoàn gồm 7 người, tổng cộng là ~5,88 kg oxy mỗi ngày. Các số liệu hiệu suất chính của OGS bao gồm:
Tỷ lệ sản xuất: Mỗi SOEC có thể sản xuất ~0,5 kg oxy mỗi ngày, do đó, hai SOEC cùng nhau tạo ra ~1 kg oxy mỗi ngày. Tuy nhiên, hệ thống được vận hành ở chế độ so le (một SOEC hoạt động, một SOEC ở chế độ chờ) để giảm hao mòn, dẫn đến sản lượng ròng ~0,5 kg mỗi ngày. Điều này có nghĩa là một mình OGS không thể đáp ứng đầy đủ nhu cầu của phi hành đoàn-do đó cần có thêm nguồn oxy (xem Phần 3).
Hiệu quả năng lượng: SOEC có hiệu suất cao, chuyển đổi ~80% năng lượng điện thành oxy (so với ~60% của hệ thống điện phân truyền thống). Điều này rất quan trọng vì các mảng năng lượng mặt trời của ISS có công suất hạn chế (~120 kilowatt, kW, năng lượng cho tất cả các hệ thống).
Độ tin cậy: OGS có tuổi thọ thiết kế là 15 năm (kéo dài từ 10 năm ban đầu) và bao gồm các bộ phận dự phòng (ví dụ: SOEC dự phòng, van) để ngăn ngừa hỏng hóc. Kể từ khi được lắp đặt vào năm 2008 (như một phần của mô-đun Nút 3 của ISS, Tranquility), OGS chỉ gặp phải các sự cố nhỏ (ví dụ: bộ lọc nước bị tắc) đã được giải quyết thông qua khắc phục sự cố từ xa.
3. Hệ thống dự phòng và bổ sung
Mặc dù OGS là nguồn oxy chính nhưng ISS dựa vào ba hệ thống phụ để đảm bảo nguồn cung cấp liên tục-quan trọng khi OGS gặp trục trặc hoặc trong nhu cầu cao điểm (ví dụ: khi quy mô phi hành đoàn tăng tạm thời).
3.1 Bình oxy điều áp (Phân khúc của Nga)
Phân đoạn tiếng Nga (RS) của ISS-bao gồm các mô-đun như Zvezda (Mô-đun dịch vụ) và Nauka (Mô-đun phòng thí nghiệm đa năng)-sử dụngbình oxy điều ápnhư một bản sao lưu. Những chiếc xe tăng này là:
Thiết kế: Bể hình trụ làm bằng hợp kim titan (chịu được áp suất cao và bức xạ không gian) có dung tích ~40 lít mỗi bể. Chúng lưu trữ oxy dưới dạng-khí áp suất cao (3.000 psi hoặc 20,7 MPa)-cùng loại được sử dụng trong các bình lặn trên Trái đất-nhưng được sửa đổi để phù hợp với không gian.
Cung cấp: Xe tăng được chuyển đến ISS thông qua tàu vũ trụ chở hàng của Nga (ví dụ: Progress) và được gắn vào các cổng bên ngoài của RS. Mỗi nhiệm vụ Tiến bộ mang theo 2–3 xe tăng, cung cấp ~100–150 kg oxy cho mỗi nhiệm vụ (đủ để hỗ trợ phi hành đoàn 7 người trong ~20–25 ngày).
Triển khai: Khi OGS gặp sự cố, hệ thống hỗ trợ sự sống của RS sẽ mở các van để giải phóng oxy từ bình chứa vào khí quyển của trạm. Các xe tăng cũng được sử dụng trong các chuyến đi bộ ngoài không gian (EVA, Hoạt động ngoài không gian) để cung cấp oxy cho bộ đồ vũ trụ của các phi hành gia.
3.2 Nến Oxy (Máy Tạo Oxy Hóa Học)
Đối với các tình huống khẩn cấp (ví dụ: lỗi OGS lớn kết hợp với sự chậm trễ trong việc tiếp tế hàng hóa), ISS sử dụngnến oxymáy phát điện -nhỏ gọn, dựa trên hóa chất{1}}tạo ra oxy thông qua phản ứng nhiệt. Những ngọn nến này là:
Thành phần: Mỗi ngọn nến là một khối rắn natri clorat (NaClO₃) trộn với chất xúc tác (ví dụ: bột sắt) và nhiên liệu (ví dụ: nhôm). Khi đốt cháy, natri clorat bị phân hủy ở nhiệt độ cao (500–600 độ) tạo ra khí oxy và natri clorua (muối ăn).
Dung tích: Một ngọn nến (nặng ~1 kg) tạo ra ~60 lít oxy (đủ cho một phi hành gia trong ~10 giờ). ISS mang theo ~100 ngọn nến, được lưu trữ trong các thùng chứa chống cháy trong mỗi mô-đun (ví dụ: Zarya, Unity) để dễ dàng truy cập.
Sự an toàn: Nến oxy được thiết kế để an toàn trong không gian-chúng không tạo ra ngọn lửa trần (chỉ nhiệt) và sản phẩm phụ natri clorua không-độc hại (nó được thu thập trong bộ lọc và sau đó được loại bỏ trong các nhiệm vụ vận chuyển hàng hóa). Tuy nhiên, chúng chỉ được sử dụng như giải pháp cuối cùng do dung lượng hạn chế và cần phải kích hoạt thủ công.
3.3 Hỗ trợ sự sống tái sinh: Tái chế oxy từ CO₂
của ISSHệ thống kiểm soát môi trường và hỗ trợ sự sống (ECLSS)bao gồm thành phần tái tạo tái chế oxy từ CO₂-làm giảm nhu cầu sản xuất oxy mới. Việc này được thực hiện thông quaHội loại bỏ Carbon Dioxide (CDRA)(Phân khúc tại Hoa Kỳ) vàHệ thống Vozdukh(Phần tiếng Nga):
CDRA (Phân khúc Hoa Kỳ): Sử dụng quy trình hai{0}}bước được gọi làgiải hấp nước amin rắnđể loại bỏ CO₂ và tạo ra oxy:
Hấp phụ CO₂: Không khí từ ISS được bơm qua lớp amin rắn (một hợp chất hóa học liên kết với CO₂). Amin bẫy CO₂, trong khi không khí sạch (không có CO₂) được đưa trở lại trạm.
Giải hấp và sản xuất oxy: Khi lớp amin bão hòa, nó được đun nóng để giải phóng CO₂ bị giữ lại. CO₂ sau đó được phản ứng với hydro (từ quá trình điện phân của OGS) trong mộtLò phản ứng Sabatier(một thành phần ECLSS khác) để tạo ra nước (H₂O) và mêtan (CH₄). Sau đó, nước được đưa đến OGS để tách thành oxy và hydro, tạo thành một vòng khép kín.
Hệ thống Vozdukh (Phân khúc của Nga): Sử dụng quy trình tương tự nhưng với một hóa chất khác (lithium hydroxit, LiOH) để hấp thụ CO₂. Không giống như CDRA, Hệ thống Vozdukh không tái chế CO₂ thành oxy-thay vào đó, LiOH bị loại bỏ sau khi bão hòa (nó được thay thế thông qua các nhiệm vụ vận chuyển hàng hóa). Tuy nhiên, nó đơn giản và đáng tin cậy hơn CDRA, khiến nó trở thành một bản sao lưu có giá trị.
Hệ thống tái tạo giúp giảm nhu cầu oxy của ISS xuống ~40%-một mức tăng hiệu quả quan trọng giúp giảm thiểu nhu cầu thực hiện các nhiệm vụ tiếp tế. Ví dụ: nếu không tái chế, trạm sẽ cần ~9,8 kg oxy mỗi ngày cho 7 phi hành gia; với việc tái chế, con số này giảm xuống còn ~5,88 kg.
4. Đảm bảo khả năng phục hồi cho các trường hợp khẩn cấp
Ngoài các nguồn thứ cấp, ISS còn có hệ thống lưu trữ oxy chuyên dụng để đáp ứng nhu cầu cao điểm và các trường hợp khẩn cấp. Các hệ thống này được thiết kế để lưu trữ oxy ở hai dạng: khí-áp suất cao và chất lỏng.
4.1 Kho chứa khí áp suất cao-(Phân khúc tại Hoa Kỳ)
Phân khúc của MỹBình chứa khí áp suất cao-được đặt trong các mô-đun Nút 1 (Thống nhất) và Nút 3 (Tranquility). Những chiếc xe tăng này:
Thiết kế: Bể hình cầu làm bằng Inconel (một hợp kim niken-crom có khả năng chống ăn mòn và nhiệt độ cao) có dung tích ~150 lít mỗi bể. Chúng lưu trữ oxy ở áp suất 6.000 psi (41,4 MPa)-gấp đôi áp suất so với bình chứa của Phân khúc Nga-cho phép lưu trữ nhiều oxy hơn trong một không gian nhỏ hơn.
Dung tích: Mỗi bình chứa ~100 kg oxy (đủ cho 7 phi hành gia trong ~17 ngày). Phân khúc Hoa Kỳ có 4 xe tăng như vậy, cung cấp tổng lượng dự phòng ~400 kg (đủ cho ~68 ngày).
Trường hợp sử dụng: Những bình này được sử dụng để bổ sung OGS trong thời gian có nhu cầu cao nhất (ví dụ: khi hai phi hành gia đang đi bộ ngoài không gian, tăng mức tiêu thụ oxy lên ~50%) và để dự phòng nếu OGS bị hỏng. Chúng cũng được sử dụng để điều áp lại trạm sau chuyến đi bộ ngoài không gian (vì một phần không khí bị mất trong quá trình EVA).
4.2 Lưu trữ oxy lỏng (LOX) (Chỉ trong trường hợp khẩn cấp)
Đối với các trường hợp khẩn cấp-dài hạn (ví dụ: lỗi OGS kéo dài một tháng-), ISS có thể lưu trữoxy lỏng (LOX)-dạng tương tự được sử dụng trong nhiên liệu tên lửa. LOX được lưu trữ trong:
Thiết kế: Bể-thành đôi có lớp cách nhiệt chân không để giữ LOX ở -183 độ (điểm sôi ở 1 atm). Các thùng chứa có kích thước nhỏ (~50 lít mỗi thùng) do không gian trên trạm có hạn.
Dung tích: Một bình LOX 50 lít chứa ~60 kg oxy (vì LOX có mật độ 1,141 kg/L), đủ cho 7 phi hành gia trong ~10 ngày. ISS có 2 xe tăng như vậy, cung cấp tổng cộng ~120 kg (đủ dùng cho ~20 ngày).
Thử thách: Việc lưu trữ LOX trong không gian rất khó khăn vì nhiệt độ của trạm dao động (từ -120 độ trong bóng râm đến 120 độ dưới ánh sáng mặt trời), khiến một số LOX bốc hơi (bốc hơi). Để giảm thiểu hiện tượng sôi, các bể chứa được trang bị bộ sưởi điều chỉnh nhiệt độ và van giảm áp giúp thoát khí thừa (sau đó được thu giữ và sử dụng trong bầu khí quyển của trạm).
5. Đảm bảo nguồn cung đồng đều trên các mô-đun
ISS là một mạng lưới phức tạp gồm 16 mô-đun (tính đến năm 2024), bao gồm khu sinh hoạt (ví dụ: Khu phi hành đoàn), phòng thí nghiệm (ví dụ: Columbus, Kibo) và các mô-đun dịch vụ (ví dụ: Zvezda, Nauka). Để đảm bảo mọi mô-đun có nồng độ oxy ổn định ở mức 21%, trạm sử dụnghệ thống phân phối tập trungvới các thành phần sau:
5.1 Quạt lưu thông không khí
Mỗi mô-đun có 4–6quạt lưu thông không khídi chuyển không khí với tốc độ ~ 1 mét khối mỗi phút. Những người hâm mộ này:
Ngăn chặn các túi khí ứ đọng (có thể dẫn đến nồng độ oxy thấp ở các góc của mô-đun).
Trộn oxy mới được tạo ra với không khí hiện có để duy trì nồng độ 21%.
Đẩy không khí qua hệ thống CDRA/Vozdukh để loại bỏ CO₂ và các chất gây ô nhiễm.
Quạt rất quan trọng vì trong môi trường vi trọng lực (không trọng lượng), không khí không lưu thông một cách tự nhiên (giống như trên Trái đất do sự đối lưu). Nếu không có quạt, các phi hành gia có thể bị thiếu oxy ở những khu vực xa nguồn oxy.
5.2 Van và ống
Một mạng lướiống thép không gỉ(đường kính 2–4 inch) kết nối OGS, bể chứa và mô-đun. Mỗi ống được trang bị:
Van điện từ: Van điều khiển bằng điện đóng mở để điều chỉnh lưu lượng oxy. Các van này là dự phòng (mỗi ống có hai van) để tránh rò rỉ.
Cảm biến áp suất: Theo dõi áp suất trong đường ống để đảm bảo phù hợp với áp suất khí quyển của trạm (101,3 kPa). Nếu áp suất giảm (ví dụ do rò rỉ), cảm biến sẽ kích hoạt cảnh báo và đóng các van bị ảnh hưởng.
Bộ lọc: Loại bỏ bụi và mảnh vụn khỏi oxy để tránh làm hỏng quạt và hệ thống hỗ trợ sự sống.
5.3 Mô-đun-Bộ điều chỉnh cụ thể
Mỗi mô-đun có mộtđiều chỉnh áp suấtđiều chỉnh lưu lượng oxy vào mô-đun dựa trên kích thước và sức chứa của nó. Ví dụ:
Các mô-đun nhỏ (ví dụ: Khu phi hành đoàn, ~10 mét khối) yêu cầu tốc độ dòng chảy thấp hơn (~0,1 kg oxy mỗi ngày) so với các mô-đun lớn (ví dụ: Phòng thí nghiệm Columbus, ~75 mét khối, yêu cầu ~0,5 kg mỗi ngày).
Bộ điều chỉnh cũng đảm bảo rằng áp suất của mô-đun vẫn ở mức 101,3 kPa, ngay cả khi các mô-đun khác đang được điều áp lại (ví dụ: sau khi đi bộ ngoài không gian).
