Uluslararası Uzay İstasyonu (ISS)-Dünya yörüngesinde ~400 kilometre yükseklikte dönen yaşanabilir bir yapay uydu-7 astronottan oluşan mürettebatını (maksimum kapasite) aylarca ayakta tutmak için gelişmiş, kapalı-döngü oksijen sistemine dayanır. Atmosferinde oksijenin bol olduğu Dünya'nın aksine uzay, doğal oksijen kaynağı olmayan bir boşluktur. Bu, ISS'nin oksijeni tamamen gemide üretmesi, depolaması, dağıtması ve geri dönüştürmesi-ve aynı zamanda karbondioksit (CO₂) gibi atık gazları da yönetmesi gerektiği anlamına gelir. Sistemin tasarımında güvenilirliğe (hayatı tehdit eden arızaları önlemek için), verimliliğe (ikmal görevlerini en aza indirmek için) ve uyarlanabilirliğe (mürettebat sayısındaki değişiklikleri ve ekipman arızalarını ele almak için) öncelik verilir. Aşağıda, temel bileşenleri, çalışma prensipleri, zorluklar ve yedekleme protokolleri de dahil olmak üzere ISS oksijen sisteminin kapsamlı bir dökümü bulunmaktadır.
1. Yaşanabilir Bir Atmosferin Sürdürülmesi
Teknik ayrıntılara girmeden önce, ISS oksijen sisteminin birincil amacını anlamak çok önemlidir: Dünya'nın atmosferini mümkün olduğu kadar yakından taklit eden bir atmosferin sürdürülmesi. İnsanın hayatta kalması için ISS şunları gerektirir:
Oksijen Konsantrasyonu: %21 (Dünya atmosferiyle aynı), bu solunum ve hipoksiden (düşük oksijen) veya oksijen toksisitesinden (yüksek oksijen) kaçınmak için en uygun seviyedir.
Basınç: 101,3 kilopaskal (kPa) veya 1 atmosfer (atm)-Dünya üzerindeki deniz-seviyesi basıncına eşdeğerdir. Bu, dekompresyon hastalığını (basıncın çok düşmesi riski) önler ve astronotların özel ekipman olmadan (uzay yürüyüşleri hariç) normal nefes almasına olanak tanır.
Gaz Temizleme: CO₂ (solunum yoluyla üretilen) gibi atık gazların ve eser miktardaki kirleticilerin (örn. ekipman veya gıdadan uçucu organik bileşikler) uzaklaştırılması.
Bunu başarmak için ISS oksijen sistemi biryarı-kapalı döngü-yeni oksijen üretir, atık akışlarından oksijeni geri dönüştürür, acil durumlar için fazla oksijeni depolar ve bunu istasyonun modülleri arasında eşit bir şekilde dağıtır.
2. Oksijen Üretim Sistemi (OGS)
ISS'nin ana oksijen kaynağıOksijen Üretim Sistemi (OGS)NASA ve Rusya'nın Roscosmos'u tarafından geliştirilen modüler bir kurulum (Avrupa Uzay Ajansı, ESA ve Japonya Havacılık ve Uzay Araştırma Ajansı, JAXA'nın katkılarıyla). OGS'nin kullandığıelektroliz-bazı Dünya-bazlı oksijen jeneratörlerinde-suyu (H₂O) oksijene (O₂) ve hidrojene (H₂) ayırmak için kullanılan kimyasal işlemin aynısı. İşte bileşenlerinin ve işleyişinin ayrıntılı bir dökümü:
2.1 OGS'nin Bileşenleri
OGS, her biri özel donanıma sahip üç temel alt sistemden oluşur:
Su İşleme Düzeneği (WPA): Elektrolizden önce, OGS elektrotlarına zarar verebilecek kirletici maddelerin (örn. tuzlar, organik maddeler) uzaklaştırılması için suyun arıtılması gerekir. WPA suyu üç kaynaktan toplar:
Geri Dönüştürülmüş Su: İstasyonun havasından (solunum ve terlemeden kaynaklanan su buharı), arıtılmış atık sudan (örneğin lavabolardan, duşlardan) ve idrardan (İdrar İşleme Grubu, UPA tarafından işlenen) gelen yoğuşma suyu.
Su İkmali: Geri dönüşüm sistemleri arızalandığında yedek olarak kargo uzay aracı (örn. SpaceX'in Dragon'u, Northrop Grumman'ın Cygnus'u) aracılığıyla dağıtılan su.
Yakıt Hücresi Suyu: İstasyonun eski yakıt hücrelerinin bir yan ürünü (güneş enerjisi panellerinin kurulumundan önce elektrik üretmek için kullanılıyordu). Yakıt hücreleri artık birincil güç kaynağı olmasa da, eğer mevcutsa, kalan su hala kullanılmaktadır.
Elektroliz Modülü (EM): OGS'nin kalbi olan EM iki tane içerirKatı Oksit Elektroliz Hücreleri (SOEC'ler)-suyu oksijen ve hidrojene ayırmak için yüksek sıcaklıklar (600–800 derece) kullanan gelişmiş cihazlar. Geleneksel elektroliz sistemlerinden (sıvı elektrolitler kullanan) farklı olarak SOEC'ler, uzayda daha verimli, kompakt ve dayanıklı olan katı bir seramik elektrolit kullanır. Süreç şu şekilde işliyor:
Arıtılmış su, SOEC'lere buhar olarak beslenir (verimliliği artırmak için buharlaştırılır).
SOEC'lerin elektrotlarına (anot ve katot) bir elektrik akımı (ISS'nin güneş panellerinden) uygulanır.
Anotta buhar, seramik elektrolit ile reaksiyona girerek oksijen gazı (O₂), elektronlar ve hidrojen iyonları (H⁺) üretir.
Elektronlar harici bir devre üzerinden akar (az miktarda ek elektrik üretir), hidrojen iyonları ise elektrolit üzerinden katoda doğru hareket eder.
Katotta hidrojen iyonları elektronlarla birleşerek hidrojen gazı (H₂) oluşturur.
Oksijen İşleme Alt Sistemi (İSG): Üretimden sonra EM'den gelen oksijen işlenir ve dağıtılır:
Soğutma: Sıcak oksijen gazı (SOEC'lerden gelen), ısı eşanjörleri (ISS'nin termal kontrol sistemine bağlı) kullanılarak oda sıcaklığına soğutulur.
Kurutma: İstasyonun borularında yoğuşmayı önlemek için, kalan su buharı moleküler elekler (Dünya-bazlı oksijen yoğunlaştırıcılarındakine benzer) kullanılarak uzaklaştırılır.
Dağıtım: Kuru, saf oksijen (%99,999 saflık), %21'lik konsantrasyonu korumak için mevcut havayla karıştırılarak bir vana ve boru ağı yoluyla ISS'nin atmosferine gönderilir.
Hidrojen Havalandırması: Hidrojen yan ürünü ISS tarafından kullanılmaz (istasyon hidrojen yakıt hücreleriyle değil güneş enerjisiyle çalıştığı için) ve uzaya boşaltılır. Bu, elektrik üretmek için hidrojen kullanan Mir gibi ilk uzay istasyonlarından önemli bir farktır.
2.2 OGS'nin Verimliliği ve Kapasitesi
OGS, ISS'nin astronot başına ~0,84 kilogram (kg) olan (1 atm'de ~588 litre gaz halindeki oksijene eşdeğer) günlük oksijen ihtiyacını karşılamak üzere tasarlanmıştır. 7 kişilik bir mürettebat için bu, günde ~5,88 kg oksijen anlamına gelir. OGS'nin temel performans ölçümleri şunları içerir:
Üretim Hızı: Her SOEC günde ~0,5 kg oksijen üretebilir, dolayısıyla iki SOEC birlikte günde ~1 kg oksijen üretir. Bununla birlikte, sistem aşınmayı azaltmak için kademeli modda (bir SOEC aktif, biri beklemede) çalıştırılır ve bu da günde ~0,5 kg net üretimle sonuçlanır. Bu, OGS'nin tek başına tüm mürettebatın talebini karşılayamayacağı-bu nedenle ek oksijen kaynaklarına ihtiyaç olduğu anlamına gelir (bkz. Bölüm 3).
Enerji Verimliliği: SOEC'ler oldukça verimlidir ve elektrik enerjisinin ~%80'ini oksijene dönüştürür (geleneksel elektroliz sistemleri için ~%60'a kıyasla). Bu çok önemlidir çünkü ISS'nin güneş panelleri sınırlı kapasiteye sahiptir (tüm sistemler için ~120 kilowatt, kW güç).
Güvenilirlik: OGS'nin tasarım ömrü 15 yıldır (orijinal 10 yıldan uzatılmıştır) ve arızaları önlemek için yedek bileşenler (örn. yedek SOEC'ler, valfler) içerir. 2008'deki kurulumundan bu yana (ISS'nin Node 3 modülü Tranquility'nin bir parçası olarak), OGS'de yalnızca uzaktan sorun giderme yoluyla çözülen küçük sorunlar (örn. tıkalı su filtreleri) yaşandı.
3. Yedekleme ve Tamamlayıcı Sistemler
OGS birincil oksijen kaynağı olsa da ISS, OGS'nin arıza yaptığı durumlarda veya talebin en yüksek olduğu durumlarda (ör. mürettebat sayısı geçici olarak arttığında) kritik öneme sahip sürekli bir tedarik sağlamak için üç ikincil sisteme dayanır.
3.1 Basınçlı Oksijen Tankları (Rusya Segmenti)
ISS'nin Zvezda (Hizmet Modülü) ve Nauka (Çok Amaçlı Laboratuvar Modülü) gibi modülleri içeren-Rusya Segmenti (RS)-kullanırbasınçlı oksijen tanklarıyedek olarak. Bu tanklar şunlardır:
Tasarım: Her biri ~40 litre kapasiteli, titanyum alaşımından (yüksek basınç ve uzay radyasyonuna dayanacak şekilde) yapılmış silindirik tanklar. Oksijeni yüksek-basınçlı bir gaz (3.000 psi veya 20,7 MPa)-olarak, Dünya tabanlı tüplü dalış tanklarında kullanılan-aynı türde, ancak uzay için değiştirilmiş olarak depolarlar.
Tedarik: Tanklar ISS'ye Rus kargo uzay aracı (örn. Progress) aracılığıyla teslim edilir ve RS'nin dış limanlarına bağlanır. Her İlerleme görevi, görev başına ~100–150 kg oksijen sağlayan 2–3 tank taşır (7 kişilik bir mürettebatı ~20–25 gün boyunca desteklemeye yeterlidir).
Dağıtım: OGS arızalandığında RS'nin yaşam destek sistemi, tanklardaki oksijeni istasyonun atmosferine salmak için vanaları açar. Tanklar aynı zamanda uzay yürüyüşleri sırasında (EVA, Extravehicular Activity) astronotların uzay kıyafetlerine oksijen sağlamak için de kullanılıyor.
3.2 Oksijen Mumları (Kimyasal Oksijen Jeneratörleri)
Acil durumlar için (örneğin, kargo ikmalindeki gecikmeyle birlikte büyük bir OGS arızası), ISS şunları kullanır:oksijen mumlarıTermal reaksiyon yoluyla oksijen üreten -kompakt, kimyasal-tabanlı jeneratörler. Bu mumlar:
Kompozisyon: Her mum, bir katalizör (örneğin demir tozu) ve bir yakıt (örneğin alüminyum) ile karıştırılmış katı bir sodyum klorat (NaClO₃) bloğudur. Sodyum klorat ateşlendiğinde yüksek sıcaklıklarda (500-600 derece) ayrışarak oksijen gazı ve sodyum klorür (sofra tuzu) üretir.
Kapasite: Tek bir mum (~1 kg ağırlığında) ~60 litre oksijen üretir (bir astronota ~10 saat yetecek kadar). ISS, kolay erişim için her modülde (örneğin, Zarya, Unity) yanmaz kaplarda saklanan ~100 mum taşır.
Emniyet: Oksijen mumları uzayda güvenli olacak şekilde tasarlanmıştır-açık alev üretmezler (yalnızca ısı) ve sodyum klorür yan ürünü-toksik değildir (bir filtrede toplanır ve daha sonra kargo görevleri sırasında çıkarılır). Ancak sınırlı kapasiteleri ve manuel aktivasyon gerekliliği nedeniyle yalnızca son çare olarak kullanılırlar.
3.3 Rejeneratif Yaşam Desteği: CO₂'den Oksijenin Geri Dönüşümü
ISS'ninÇevresel Kontrol ve Yaşam Destek Sistemi (ECLSS)CO₂-'den oksijeni geri dönüştüren ve yeni oksijen üretimi ihtiyacını azaltan yenileyici bir bileşen içerir. Bu, aracılığıyla yapılırKarbon Dioksit Giderme Düzeneği (CDRA)(ABD Segmenti) veVozdukh Sistemi(Rusya Segmenti):
CDRA (ABD Segmenti): Adı verilen iki-adımlı bir işlemi kullanırkatı amin su desorpsiyonuCO₂'yi uzaklaştırmak ve oksijen üretmek için:
CO₂ Adsorpsiyonu: ISS'den gelen hava, katı amin (CO₂'ye bağlanan kimyasal bir bileşik) yatağından pompalanır. Amin CO₂'yi hapseder ve temiz hava (CO₂'suz) istasyona geri gönderilir.
Desorpsiyon ve Oksijen Üretimi: Amin yatağı doyduğunda, tutulan CO₂'yi serbest bırakmak için ısıtılır. CO₂ daha sonra hidrojenle (OGS'nin elektroliz işleminden elde edilen) reaksiyona sokulur.Sabatier reaktörü(başka bir ECSS bileşeni) su (H₂O) ve metan (CH₄) üretmek için kullanılır. Su daha sonra oksijen ve hidrojene bölünerek kapalı bir döngü oluşturmak üzere OGS'ye gönderilir.
Vozdukh Sistemi (Rusya Segmenti): CO₂'u absorbe etmek için benzer bir işlem kullanılır ancak farklı bir kimyasal (lityum hidroksit, LiOH) kullanılır. CDRA'nın aksine, Vozdukh Sistemi CO₂'yi oksijene-geri dönüştürmez, bunun yerine LiOH doygun hale geldikten sonra atılır (kargo görevleri aracılığıyla değiştirilir). Ancak CDRA'dan daha basit ve daha güvenilir olduğundan değerli bir yedeklemedir.
Rejeneratif sistem, ISS'nin oksijen ihtiyacını ~%40 oranında azaltır-bu, ikmal görevlerine olan ihtiyacı en aza indiren kritik bir verimlilik kazanımıdır. Örneğin, geri dönüşüm olmasaydı istasyonun 7 astronot için günde ~9,8 kg oksijene ihtiyacı olacaktı; geri dönüşümle bu ~5,88 kg'a düşer.
4. Acil Durumlara Dayanıklılığın Sağlanması
İkincil kaynaklara ek olarak ISS, yoğun talebi ve acil durumları ele almak için özel oksijen depolama sistemlerine sahiptir. Bu sistemler oksijeni iki biçimde depolamak için tasarlanmıştır: yüksek-basınçlı gaz ve sıvı.
4.1 Yüksek-Basınçlı Gaz Depolama (ABD Segmenti)
ABD SegmentiYüksek-Basınçlı Gaz TanklarıDüğüm 1 (Birlik) ve Düğüm 3 (Huzur) modüllerinde bulunur. Bu tanklar:
Tasarım: Her biri ~150 litre kapasiteli, Inconel'den (korozyona ve yüksek sıcaklıklara dayanıklı bir nikel-krom alaşımı) yapılmış küresel tanklar. Oksijeni 6.000 psi (41,4 MPa) basınçta depoluyorlar-Rusya Segmentinin tanklarının iki katı basınçla-daha küçük bir alanda daha fazla oksijenin depolanmasına olanak tanıyorlar.
Kapasite: Her tank ~100 kg oksijen tutar (7 astronota ~17 gün yetecek kadar). ABD Segmentinde toplam ~400 kg'lık (~68 gün için yeterli) destek sağlayan bu tür 4 tank bulunmaktadır.
Kullanım Örneği: Bu tanklar, talebin en yüksek olduğu durumlarda (örneğin, iki astronotun uzay yürüyüşünde oksijen tüketimini ~%50 oranında arttırdığı durumlarda) OGS'yi desteklemek ve OGS'nin arızalanması durumunda yedek olarak kullanılır. Ayrıca bir uzay yürüyüşünün ardından istasyonu yeniden basınçlandırmak için de kullanılırlar (EVA sırasında bir miktar hava kaybolduğu için).
4.2 Sıvı Oksijen (LOX) Depolama (Yalnızca Acil Durum)
Uzun-vadeli acil durumlar için (örneğin, bir ay-uzun süren OGS arızası için ISS,sıvı oksijen (LOX)-roket yakıtında kullanılanla aynı form. LOX şurada saklanır:
Tasarım: LOX'i -183 derecede (kaynama noktası 1 atm'de) tutmak için vakum yalıtım katmanına sahip çift-duvarlı tanklar. İstasyondaki sınırlı alan nedeniyle tanklar küçüktür (her biri ~50 litre).
Kapasite: 50 litrelik bir LOX tankı ~60 kg oksijen tutar (LOX'un yoğunluğu 1.141 kg/L olduğu için), bu da 7 astronota ~10 gün yetecek kadardır. ISS'de toplam ~120 kg (~20 gün için yeterli) sağlayan bu tür 2 tank bulunmaktadır.
Zorluklar: LOX'i uzayda depolamak zordur çünkü istasyonun sıcaklığı dalgalanır (gölgede -120 dereceden güneş ışığında 120 dereceye kadar), bu da LOX'in bir kısmının kaynamasına (buharlaşmasına) neden olur. Kaynamayı en aza indirmek için tanklar, sıcaklığı düzenleyen ısıtıcılar ve fazla gazı tahliye eden (daha sonra yakalanıp istasyonun atmosferinde kullanılan) bir basınç tahliye vanasıyla donatılmıştır.
5. Modüller Arasında Tekdüze Tedarik Sağlanması
ISS, yaşam alanları (örneğin, Mürettebat Odaları), laboratuvarlar (örneğin, Columbus, Kibo) ve hizmet modülleri (örneğin, Zvezda, Nauka) dahil olmak üzere (2024 itibariyle) 16 modülden oluşan karmaşık bir ağdır. Her modülün tutarlı bir %21 oksijen konsantrasyonuna sahip olmasını sağlamak için istasyon,merkezi dağıtım sistemiaşağıdaki bileşenlerle:
5.1 Hava Sirkülasyon Fanları
Her modülde 4-6hava sirkülasyon fanlarıHavayı dakikada ~1 metreküp hızla hareket ettiriyor. Bu hayranlar:
Durgun hava kabarcıklarını önleyin (bu, modülün köşelerinde düşük oksijen seviyelerine yol açabilir).
%21'lik konsantrasyonu korumak için yeni üretilen oksijeni mevcut havayla karıştırın.
CO₂ ve kirletici maddeleri gidermek için CDRA/Vozdukh sistemlerine hava verin.
Fanlar kritik öneme sahiptir çünkü mikro yerçekiminde (ağırlıksızlık), hava doğal olarak dolaşmaz (konveksiyon nedeniyle Dünya'da olduğu gibi). Fanlar olmadan astronotlar oksijen kaynağından uzak bölgelerde hipoksi yaşayabilir.
5.2 Vanalar ve Borular
Bir ağpaslanmaz çelik borular(2-4 inç çapında) OGS'yi, depolama tanklarını ve modülleri birbirine bağlar. Her boru aşağıdakilerle donatılmıştır:
Solenoid Valfler: Oksijen akışını düzenlemek için açılıp kapanan, elektrikle kontrol edilen valfler. Sızıntıları önlemek için bu vanalar yedeklidir (her borunun iki vanası vardır).
Basınç Sensörleri: İstasyonun atmosfer basıncıyla (101,3 kPa) eşleştiğinden emin olmak için borulardaki basıncı izleyin. Basınç düşerse (örneğin bir sızıntı nedeniyle), sensörler bir alarmı tetikler ve etkilenen vanaları kapatır.
Filtreler: Fanların ve yaşam destek sistemlerinin hasar görmesini önlemek için oksijendeki toz ve kalıntıları temizleyin.
5.3 Modüle-Özel Düzenleyiciler
Her modülün birbasınç regülatörüBu, boyutuna ve doluluk durumuna göre modüle giden oksijen akışını ayarlar. Örneğin:
Küçük modüller (örneğin, ~10 metreküp olan Mürettebat Odası), büyük modüllere (örneğin, ~75 metreküp olan ve günde ~0,5 kg gerektiren Columbus Laboratuvarı) göre daha düşük bir akış hızı (günde ~0,1 kg oksijen) gerektirir.
Regülatörler ayrıca diğer modüller yeniden basınçlandırılsa bile (örneğin bir uzay yürüyüşünden sonra) modülün basıncının 101,3 kPa'da kalmasını sağlar.
