Наличие воды в космическом пространстве. Интересный вопрос о космосе: как ведет себя вода в невесомости? Потребление воды в космосе
Что случится с водой в космосе? January 2nd, 2017
Казалось бы не сложный вопрос: что произойдет с жидкой водой комнатной температуры при атмосферном давлении, если ее вылить в открытый космос?
Космос — очень, очень холодное место. На сильном холоде, как подсказывает нам жизненный опыт, вода превращается в лед — кристаллизуется.Но космос — это еще и самый близкий к идеальному вакуум, до которого можно дотянуться. Одна атмосфера эквивалентна давлению 6 x 1022 атомов водорода на квадратный метр. В лучших вакуумных камерах на Земле ученые создают давление в миллиарды раз меньшее, но в межзвездном пространстве оно опускается в миллионы и миллиарды раз ниже земных технических рекордов.А при пониженном давлении вода переходит в газообразное состояние — кипит.
Так что же произойдет, если жидкоая вода окажется одновременно при очень низком давлении и очень низкой температуре — замерзнет или мгновенно вскипит, превратившись в газ?
Ответ — в теплоемкости воды.
Космос холоден, но даже в межгалактическом пространстве вода очень неплохо сохраняет то тепло, которое ей когда-то сообщили. Резко охладить ее до температуры, близкой к абсолютному нолю, невозможно — слишком велика разница между комнатной (293 К) и средней по космосу. К тому же в момент, когда вода окажется в безвоздушном холодном мраке, силы поверхностного натяжения сформируют водяные сферы, и площадь охлаждения станет минимальной.
Таким образом процесс охлаждения будет идти невероятно медленно — по крайней мере до тех пор, пока каждая молекула не окажется сама по себе, вдалеке от других уголков H2O.
А что помешает молекулам воды кинуться врассыпную? Ведь давление станет пренебрежимо мало, и переход в газообразное состояние может произойти совершенно мгновенно! Когда же молекулы или группы молекул воды окажутся относительно далеко друг от друга в облаке газа, они мгновенно растеряют кинетическую энергию, и их температура резко упадет. В каком агрегатном состоянии вода окажется тогда? Чтобы ответить, взглянем на фазовую диаграмму воды. Из нее видно, что если температура падает до -50°C, то никакое низкое давление уже неспособно сделать ее жидкой или газообразной.
Итак, последовательность событий такова: попадая в открытый космос, вода сначала мгновенно становится газообразной, а затем замерзает в виде крошечных льдинок, заполняющих межзвездную пустоту.
Можно ли увидеть это в реальной жизни? Оказалось что да. По словам астронавтов МКС они много раз наблюдали этот эффект, когда выпускали в открытый космос… мочу из космического корабля!
Когда астронавты, сходив «по маленькому», освобождают космическую станцию от лишнего балласта и отправляют свою мочу в открытый космос, по их словам, она очень бурно кипит. А затем пар почти мгновенно переходит в фазу твердого состояния, и в конечном итоге в космосе получаются такие небольшие облака очень мелких кристаллов замороженной мочи…
А вот еще интересный аспект поведения воды в невесомости.
Кипение в условиях низкой гравитации - забавнейшее зрелище. Но оно имеет значение не только как развлечение, а может преподнести ученым кое-какие открытия в области физики. Еще несколько десятков лет назад никто не знал, что представляет собой процесс кипения в космосе. Конечно, физики ломали голову, анализируя сложный характер кипения здесь, на Земле. Про космос же только предполагали, что зрелище будет еще более захватывающее. А ведь это важный вопрос, потому что кипение происходит не только в чайнике, но и в электрогенераторах и в системах охлаждения космического корабля. Поэтому инженерам необходимо знать, как происходит этот процесс.
Вообще-то на орбите кипение представляет собой более простой процесс, чем на Земле. Невесомость аннулирует две переменных, воздействующих на кипение - конвекцию и плавучесть. Именно поэтому кипяток ведет себя в космосе по-другому. Нагретая жидкость не поднимается, а остается рядом с нагревающей поверхностью и нагревается дальше. Те области жидкости, которые находятся на некотором расстоянии от источника тепла, остаются относительно холодными. Поскольку нагревается меньший объем воды, процесс происходит быстрее. По мере формирования пузырьков пара, они не поднимаются на поверхность, а объединяются в гигантский пузырь, который колеблется в жидкости.
источники
Вода - это жизнь. Этой мысли тысячи лет, а она до сих пор не утратила своей актуальности. С наступлением космической эры, значение воды лишь возросло, так как от воды в космосе зависит буквально все, начиная от работы самой космической станции и заканчивая выработкой кислорода. Первые космические полеты не имели замкнутой системы «водоснабжения». То есть, вся вода бралась на борт изначально, еще с Земли. Сегодня на МКС частично замкнутая система регенерации воды, и в этой статье вы узнаете подробности.
Откуда берется вода на МКС
Регенерация воды - это повторное получение воды. Отсюда нужно сделать самый главный вывод, что первоначально вода на МКС доставляется с Земли. Невозможно регенерировать воду, если изначально ее не доставить с Земли. Сам процесс регенерации снижает расходы на космические полеты, и делает систему МКС менее зависимой от наземных служб.
Вода, доставляемая с Земли используется на МКС многократно. Сейчас на МКС используется несколько способов регенерации воды:
- Конденсация влаги из воздуха;
- Очистка использованной воды;
- Переработка урины и твердых отходов;
На МКС установлена специальная аппаратура, которая конденсирует влагу из воздуха. Влага в воздухе - это естественно, она есть и в космосе и на Земле. В процессе жизнедеятельности космонавты могут выделять до 2,5 литров жидкости в сутки. Кроме этого, на МКС есть специальные фильтры, для очистки использованной воды. Но учитывая то, как моются космонавты , бытовой расход воды значительно отличается от земного. Переработка урины и твердых отходов - это новая разработка, примененная на МКС лишь с 2010-ого года.
На данный момент, для функционирования МКС требуется около 9000 литров воды в год. Это общая цифра, отражающая все расходы. Вода на МКС регенерируется примерно на 93%, поэтому объемы поставок воды на МКС существенно ниже. Но не стоит забывать, что с каждым полным циклом использования воды, ее общий объем уменьшается на 7%, что делает МКС зависимой от поставок с Земли.
С 29 мая 2009-ого количество членов экипажа возросло вдвое - с 3 до 6 человек. Вместе с этим возрос и расход воды, но современные технологии позволили увеличить численность космонавтов на МКС.
Регенерация воды в космосе
Когда речь заходит про космос, важно учитывать энергозатраты, или как их называют в профессиональной сфере - массозатраты, для производства воды. Первый полноценный аппарат регенерации воды появился на станции «Мир», и за все время существования он позволил «сэкономить» 58650 кг доставляемых грузов с Земли. Вспоминая, что доставка 1 кг груза стоит около 5-6 тысяч долларов США, первая полноценная система регенерации воды позволила снизить расходы примерно на 300 млн долларов США.
Современные российские системы регенерации воды - СРВ-К2М и Электрон-ВМ позволяют обеспечить космонавтов на МКС водой на 63%. Биохимический анализ показал, что регенерированная вода не утрачивает своих исходных свойств, и полностью пригодна для питья. В настоящий момент, российские ученые работают над созданием более замкнутой системы, что позволит обеспечить космонавтов водой на 95%. Существуют перспективы развития систем очистки, которые обеспечат на 100% замкнутый цикл.
Американская система регенерации воды - ECLSS, была разработана в 2008-ом году. Она позволяет не только собрать влагу из воздуха, но и регенерировать воду из мочи и твердых отходов. Несмотря на серьезные проблемы и частые поломки на протяжении первых двух лет эксплуатации, сегодня ECLSS позволяет восстановить 100% влаги из воздуха и 85% влаги из мочи и твердых отходов. В результате, на МКС появился современный аппарат, позволяющий восстановить до 93% первоначального объема воды.
Очистка воды
Ключевым моментом в регенерации является очистка воды. В очистительные системы собирается любая вода - оставшаяся от приготовления пищи, грязная вода от мытья и даже пот космонавтов. Все эта вода собирается в специальный дистиллятор, визуально похожий на бочку. При очистке воды необходимо создать искусственную гравитацию, для этого дистиллятор вращается, при этом грязная вода прогоняется через фильтры. В результате получается чистая питьевая вода, которая по своим качествам даже превосходит питьевую воду во многих уголках Земли.
На последнем этапе в воду добавляется йод. Этот химический препарат позволяет предотвратить размножение микробов и бактерий, а также является необходимым элементом для здоровья космонавтов. Любопытный факт, что на Земле йодированная вода считается слишком дорогим удовольствием для массового применения, и вместо йода используется хлор. От использования хлора на МКС отказались по причине агрессивности данного элемента, и большей пользы от йода.
Потребление воды в космосе
Для обеспечения жизнедеятельности космонавтов требуется колоссальное количество воды. Если бы к нашим дням не наладили систему регенерации воды, то космические исследования, наверняка, застряли бы в прошлом. Учитывая расход воды в космосе используются следующие данные в расчёте на 1 человека в сутки:
- 2,2 литра - питье и приготовление пищи;
- 0,2 литра - гигиена;
- 0,3 литра - смыв туалета;
Потребление воды для питья и пищи практически соотсветвует земным нормам. Гигиена и туалет - намного меньше, хотя все это поддается переработке и повторному использованию, но это требует энергетических затрат, так что расходы были также снижены. Любопытный факт, что если на российского космонавта в день приходится 2,7 литра воды, то на американских астронавтов выделено примерно 3,6 литра. Американская миссия продолжает получать воду с Земли, впрочем как и российские космонавты. Но в отличие от российской миссии, американцы получают воду в небольших пластиковых пакетах, а наши космонавты в 22 литровых бочонках.
Использование переработанной воды
Обыватель может предположить, что космонавты на МКС пьют воду, переработанную из собственной урины и твердых отходов. На деле же это не так, для питья и приготовления пищи космонавты используют чистую родниковую воду, доставленную с Земли. Вода дополнительно проходит серебряные фильтры, и доставляется на МКС российским грузовым космическим кораблем «Прогресс».
Питьевая вода поставляется в 22 литровых бочках. Воду, полученную путем переработки урины и твёрдых отходов используют для технических нужд. Например, вода необходима для работы катализаторов и для работы системы выработки кислорода. Условно говоря, космонавты «дышат уриной», а не пьют ее.
В начале 2010-ого года в СМИ появилась информация, что из-за поломки в системе регенерации воды на МКС, у американских астронавтов заканчивается питьевая вода. Владимир Соловьев, руководитель полета российского сегмента МКС, рассказал журналистам, что экипаж МКС никогда не пил воду, получаемую путем регенерации из урины. Поэтому поломка американской системы переработки урины, которая действительно была на тот момент, не повлияла на количество питьевой воды. Примечательно, что американская система дважды выходила из строя по одной и той же причине, и лишь на второй раз удалось установить истинную причину проблемы. Оказалось, что из-за влияния космических условий, в моче астронавтов сильно повышается кальций. Фильтры для переработки урины, разработанные на Земле, не были рассчитаны на такой биохимический состав мочи, и поэтому быстро приходили в негодность.
Производство кислорода из воды
Советские, а затем и российские ученые, задают темп в вопросе производства кислорода из воды. И если в вопросе регенерации воды американские коллеги немного перегнали российских ученых, то в вопросе выработки кислорода, наши уверено держат пальму первенства. Даже сегодня, 20-30% переработанной воды из американского сектора МКС идет в российские аппараты по производству кислорода. Регенерация воды в космосе тесно связана с регенерацией кислорода.
Первые аппараты по производству кислорода из воды были установлены еще на аппаратах «Салют» и «Мир». Процесс производства максимально прост - специальные приборы конденсируют влагу из воздуха, а затем путем электролиза из этой воды производят кислород. Электролиз - пропускание тока через воду, является хорошо отработанной схемой, которая надежно обеспечивает космонавтов кислородом.
Сегодня к конденсируемой влаге добавился еще один источник воды - переработанная урина и твердые отходы, позволяющие получить техническую воду. Техническая вода из американский аппарата ECLSS поставляется в российскую систему и американскую OGS (Oxygen Generation System), где затем «перерабатывается» в кислород.
Ученые бьются над решением задачи - 100% замкнутый цикл для полного обеспечения космонавтов водой и кислородом. Одна из самых перспективных разработок - получение воды из углекислого газа. Этот газ является продуктом дыхания человека, и в настоящее время этот «продукт» жизнедеятельности космонавтов практически не используется.
Французский химик - Поль Саботье, открыл удивительный эффект, благодаря которому из реакции водорода и диоксида углерода можно получить воду и метан. Нынешний процесс производства кислорода на МКС связан с выделением водорода, но его просто выбрасывают в открытый космос, так как не находят ему применения. Если ученым удастся наладить эффективную систему по переработке углекислого газа, то удастся достичь практически 100% замкнутости системы, и найти эффективное применение водороду.
Реакция Боша, является не менее перспективной в вопросах получения воды и кислорода, но эта реакция требует крайне высоких температур, поэтому за процессом Саботье многие эксперты видят больше перспектив.
Кажутся нам незыблемыми фактами жизни.
Но теперь, когда мы все больше осваиваем космос, мы узнаем, что многое из того, что считается общепринятым, таковым не является за пределами нашей планеты.
1. Отрыжка
При обычных условиях, гравитация способствует тому, что жидкость собирается на дне вашего желудка, а газы поднимаются вверх. Так как в космосе гравитация ослабляется, космонавты часто страдают от так называемых "влажных отрыжек ". Другими словами вся жидкость, которая не удерживается у них желудке, выходит в виде отрыжки.
По этой причине на Международной космической станции не держат газированных напитков. Если бы они и были, газы в напитке не поднимались бы наверх , как это происходит на Земле, а у пива не образовывалась пена .
2. Скорость
В космосе, различные частицы мусора двигаются на такой высокой скорости, что мы с трудом можем себе это представить.
Кстати, вокруг Земли вращаются миллионы крошечных частиц мусора , и они двигаются со скоростью 35 500 километров в час. Для сравнения МКС вращается вокруг Земли на скорости 28 164 километра в час.
На такой скорости вы не увидите приближающийся объект. Вместо этого в ближайших структурах могут появляться загадочные дыры . Так, в прошлом году космонавты на борту МКС запечатлели дыру размером всего 1-2 мм в диаметре в огромных солнечных панелях станции, которая являлась результатом столкновения крошечных частиц мусора.
3. Производство алкоголя
Далеко в космосе возле созвездия Орел, плавает гигантское облако газа с 190 триллионами литров алкоголя .
Существование облака противоречит всему тому, что мы считали возможным. Этанол - это достаточно сложная молекула, чтобы формироваться в таком количестве, а температура в космосе настолько низкая, что реакции, необходимые для создания алкоголя, не должны происходить.
Ученые воссоздали условия космоса в лаборатории и соединили два органических химических вещества при температуре -210 °C. Произошла реакция, но, вопреки ожиданиям, она была в 50 раз быстрее , чем при комнатной температуре.
Ученые объясняют это туннельным эффектом. Благодаря этому явлению, частицы принимают свойства волн и поглощают энергию из окружающей среды, что позволяет им преодолевать препятствия, которые в обычных условиях предотвращают реакцию.
4. Статическое электричество
Статическое электричество может создавать удивительные вещи. Так на изображении можно увидеть капли воды, вращающиеся вокруг статически заряженной спицы.
Электростатические силы действуют на расстоянии, и они притягивают объекты так же, как гравитация притягивает планеты, благодаря чему капли находятся в постоянном состоянии свободного падения .
Сейчас ученые работают над притягивающим лучом статического электричества для очистки от космического мусора.
Человек и космос
5. Зрение
Примерно 20 процентов космонавтов, живших на МКС, сообщали об ухудшении зрения по возвращении на Землю. И пока никто не может сказать почему.
Раньше считалось, что пониженная гравитация освобождает жидкости тела, заставляя их плавать в черепе, и увеличивает черепное давление. Но новые данные говорят о том, что возможно это явление связано с полиморфизмами. Полиморфизмы - это ферменты, которые слегка отклоняются от нормы и вероятно влияют на то, как организм обрабатывает питательные вещества.
6. Поверхностное натяжение
Мы обычно не замечаем поверхностное натяжение на Земле, так как гравитация покрывает его. Но если убрать гравитацию, поверхностное натяжение становится намного сильнее. Так, например, когда вы выжимаете ткань в космосе, вода, вместо того, чтобы падать, прилипает к ткани, принимая форму трубы .
Когда вода не прилипает к чему-то, она собирается в сферу поверхностным натяжением. Космонавтам вообще приходится осторожнее обращаться с водой, так как это может привести к тому, что крошечные шарики воды будут плавать везде.
7. Физическая форма
Как известно, мышцы космонавтов атрофируются в космосе , и чтобы противодействовать такому эффекту, им приходится упражняться гораздо больше, чем на Земле.
Без физических упражнений, кости космонавтов быстро превратятся в кости стариков. А большая потеря костной и мышечной массы может привести к тому, что они не смогут ходить, когда вернуться на Землю . В отличие от мышечной массы, костную массу невозможно вернуть.
8. Бактерии
Когда в космос отправили образцы сальмонеллы, они вернулись на Землю в семь раз сильнее . И это тревожные новости для здоровья космонавтов. Болезнетворные микроорганизмы не только становятся опаснее, но и сами бактерии растут гораздо быстрее.
Условия в невесомости напоминают те, что наблюдаются в кишечнике. И ученые надеются найти способ уменьшить активность бактерий, изучая их в космосе.
В условиях невесомости бактерия постоянно находится в активном, опасном состоянии .
Изучив гены сальмонеллы, которые активизируются в условиях пониженной гравитации, ученые определили, что высокие концентрации ионов могут сдерживать бактерии. Это исследование может привести к разработке методов лечения кишечного отравления.
9. Радиация
Солнце - это огромный термоядерный взрыв, но магнитное поле Земли защищает нас от самых вредных лучей. Полеты к МКС внутри магнитного поля показали, что защитное покрытие способно блокировать солнечную радиацию.
Но чем дальше будут находиться космонавты, тем большему воздействию они будут подвергаться . Если люди отправятся на Марс или установят космическую станцию на орбите вокруг Луны, им придется иметь дело с высокоэнергетическими частицами, которые пришли из далеких умирающих звезд и сверхновых.
Когда такие частицы попадают на защитные покрытия, они создают своего рода осколки, которые еще опаснее, чем сама радиация.
Ученые работают над усовершенствованной защитой от этих осколков.
10. Кристаллизация
Японские ученые наблюдали, как формируются кристаллы, сталкивая кристаллы гелия с акустическими волнами в условиях смоделированной невесомости.
Обычно этим кристаллам требуется какое-то время, чтобы вновь сформироваться после распада, но их подвесили в сверхжидкости – жидкости, которая течет без трения. В результате гелий быстро сформировался в кристаллы необычно больших размеров до 10 мм.
Таким образом, в космосе можно выращивать крупные кристаллы высокого качества . Мы используем кремниевые кристаллы почти во всех видах электроники, а это открытие может привести к разработке усовершенствованных электронных устройств.
+ Звук
В условиях пониженной гравитации начинают действовать другие силы, что позволяет ученым изучать их таким образом, что было бы невозможно в привычной среде. Звук не является исключением.
Так на МКС проводили эксперимент, разбрызгивая капли воды над колонками во время проигрывания рок-музыки . Мощные колебания звука разрывают поверхностное натяжение невесомой жидкости, заставляя крошечные капли разлетаться во всех направлениях.
Меняя частоту звуковых волн, космонавты создавали различные формы, начиная от небольшой ряби до различных впадин.
Космическая вода представляет огромный интерес для учёных. На нашей планете, вода - это главный источник жизни. Именно поэтому научное сообщество надеется найти с её помощью инопланетные цивилизации, еще глубже проникнуть в тайну сотворения вселенной.
Где найти воду в космосе?
Как оказалось, воды в космическом пространстве очень много. Ещё со школы мы знаем, про ледяные кольца Сатурна, замерзшие глыбы Нептуна и Урана. За последнее время учёные нашли воду в том или ином состоянии фактически на всех планетах солнечной системы, а так же на огромном количестве спутников, включая Луну. Но и это не всё. Астрономы умудрились найти запасы воды даже за пределами галактики и в окрестностях чёрных дыр. Получается, что вода во Вселенной присутствует буквально везде, даже в межзвёздных облаках. При этом до сих пор считается, что сразу во всех трёх агрегатных состояниях она существует только планете Земля.
Откуда появилась вода в космосе?
Естественно из космоса сделать невозможно, остаётся лишь предполагать откуда она взялась.
Самыми популярными разносчиками воды по Вселенной считаются кометы. Удивительно, но их хвост - это ничто иное, как испарение льда с её поверхности под воздействием солнечного ветра. Такие ледяные кусочки - одна из гипотез возникновения воды на Земле. Учёные так же считают, что ядра этих комет образовались в одно время с солнечной системой. Поэтому они могут быть образцами первичного вещества, из которого образовались планеты и спутники.
Существует и вулканическая гипотеза возникновения воды по всему космосу. Учёные выяснили, что на планетах-гигантах, таких как Сатурн испарения от огромного количества действующих вулканов поднимается намного выше, чем на Земле. Так высоко вода попросту замерзает и уносится в своё космическое путешествие.
Не так давно учёные с помощью инструмента Гершеля обнаружили, что ультрафиолетовое излучение от окружающих звезд может провоцировать распад молекул, таких как окись углерода и кремния, освобождая атомы кислорода. Они в свою очередь объединяются с молекулами водорода, образуя воду.
Однако, каким бы ни был источник возникновения воды как вещества в космических просторах, ясно одно: вода присутствует везде и во всём. Она объединяет всё живое и неживое не только на нашей планете, но и во всей Вселенной.
Вода в космосе
Новые наблюдения избранных областей нашей Галактики показали, что содержание воды выше, чем ожидали. Из новых измерений следует, что вода находится на третьем месте по распространённости среди всех молекул и даёт астрономам возможность исследовать содержание элементов в областях, где образуются новые планетарные системы.
С помощью Инфракрасной Космической Обсерватории (European Space Agency) испанские и итальянские астрономы впервые измерили содержание воды в холодных областях нашей Галактики. Особенно интересно то, что в этих областях образуются звёзды типа Солнца, а около некоторых из них могут образоваться планеты. Средняя температура в этих холодных областях минус 263 градуса по Цельсию (всего лишь на 10° выше абсолютного нуля). Эти области называются "спокойными" или "холодными" облаками, так как в них не образуются массивные звёзды, а значит и нет сильного внутреннего источника тепла. Таких облаков в нашей Галактике около миллиона.
Учёные также определили, сколько воды находится в газовой фазе, а сколько - в виде льда. Это важно для изучения процесса образования планетарных систем, так как пары воды и лёд есть в газовых планетах, в планетарных атмосферах и в твёрдых телах типа комет. Результаты раблты будут опубликованы в одном из ближайших выпусков журнала Astrophysical Journal Letters.
При температурах, характерных для холодных облаков, трудно обнаружить пары воды, так как они излучают слишком слабо, стобы быть обнаруженными современными телескопами. С другой стороны, вода в жидкой форме не существует в космосе из-за слишком неподходящих условий по температуре и давлению. Таким образом, до недавнего времени в холодных облаках был обнаружен только лёд. Но астрономы знают, что пары воды также должны быть в холодных облаках, даже если и в малом количестве. Чтобы оценить полное содержание воды в холодных облаках и относительное содержание по сравнению с другими молекулами, необходимы измерения паров воды.
"Можно ожидать, что в холодных областях вода должна быть в виде льда, так как водяные пары конденсируются на холодных пылинках," - объясняет итальянский астроном Andrea Moneti. В тёплых областях, наоборот, звезда нагревает окружающую среду и лёд испаряется с пылинок. Таким образом, правило такое: чем холоднее облако, тем меньше в нём паров воды."
Чтобы исследоать пары воды в холодных облаках, группа учёных применила следующую стратегию. Известно, что если свет от удалённого объекта проходит через пары воды на своём пути к Земле, то пары воды оставят свой "отпечаток" на этом свете, а именно, в спектре пришедшего излучения появятся линии или полосы поглощения. Таким образом учёные и обнаружили пары воды в холодных облаках, что дало возможность определить полное содержание воды (пары + лёд).
Оказалось, что в холодных облаках так же много воды (пары + лёд), как и в областях активного звездообразования. А самый главный результат заключается в том, что после молекулярного водорода и окиси углерода, вода - самая распространённая молекула. Например, в одном из холодных облаков с массой в тысячу масс Солнца, количество воды (пары + лёд) эквивалентно сотне масс Юпитера.
Учёные также нашли, что в холодных облаках 99 процентов воды представляет собой лёд, сконденсировавшийся на холодных пылинках, и только 1 процент - в газовой форме. Эти результаты помогут понять роль воды в образовании планет и комет.