¿Cómo puedo hacer oxígeno para un barco de generación?

Los sistemas de soporte de vida de ciclo cerrado (CLSS) son la única forma de realizar viajes espaciales prolongados o incluso estaciones espaciales y colonias que orbitan alrededor de un sol. Como se señaló, el verdadero problema es compensar las pérdidas, ya que ningún sistema será 100% eficiente.

Uno de los elementos clave para cualquier tipo de CLSS debe ser el agua. El agua es esencial para los procesos vitales de todo lo que se encuentra a bordo. El flujo de aguas residuales se procesará para proporcionar nutrientes a las plantas (tanto algas como plantas alimenticias), luego el agua limpia volverá para beber y otros usos en el lado humano/animal del sistema.

Entonces el barco necesita millones de litros de agua para el sistema. Se puede transportar agua adicional para amortiguar el sistema, actuar como protección contra la radiación o disipadores de calor térmico y otros usos a bordo del barco. Una de las formas más convenientes de transportar toda esta agua es en forma de hielo. Anthony Zuppero esbozó un diseño simple en forma de rosquilla o neumático que utiliza el hielo como material estructural y como depósito para todas las necesidades de agua de la tripulación. En caso de que ocurra algún tipo de desastre que paralice el CLSS, el hielo puede derretirse y electrolizarse para liberar hidrógeno y oxígeno, y el oxígeno se agrega a la atmósfera. Aparte, el peligro real en un entorno cerrado no es quedarse sin oxígeno, sino envenenarse por una acumulación de CO2.

La solución más común a este enfoque es tratar de reflejar la biosfera de la Tierra. Como necesita agua, alimentos y aire, necesita una solución que proporcione los 3.

La hidroponía (y su aeroponía gemela estrechamente relacionada) es una excelente manera de proporcionar alimento y aire: cultivas plantas comestibles (especialmente aquellas con hojas verdes), que a medida que crecen consumen el CO ₂ que exhalas y lo vuelven a convertir en oxígeno respirable. . Las algas y ciertas bacterias se muestran muy prometedoras actualmente para cumplir muy bien este papel. El agua se recicla y se reutiliza, tal como se hace en el ciclo del agua de la Tierra.

Puede complementar esto con procesos mecánicos y/o químicos que también descomponen el CO ₂ exhalado y liberan el oxígeno de regreso a los sistemas del barco.

Desafortunadamente, ninguna biosfera hecha por el hombre puede ser 100 % eficiente, ni ningún recipiente a presión se puede sellar al 100 %, por lo que tendrá que llevar tanques adicionales de oxígeno comprimido para reemplazar las pérdidas en sus viajes. Podrá recolectar pequeñas cantidades de hidrógeno y oxígeno con algo parecido a una pala de ariete , aunque sin el reciclaje a bordo de CO ₂ y agua, no podrá recolectar suficiente para que nadie sobreviva.

Si su nave viaja al siguiente sistema estelar, eso es todo; si puede detenerse en otras estrellas en el camino (lo que siempre será un desvío enorme, pero para un viaje lo suficientemente largo puede ser necesario), probablemente pueda recolectar materiales base dentro del sistema, pero va a ser difícil, costoso, requiere mucho tiempo y confía en llevar una gran cantidad de equipos pesados ​​que solo ocupan espacio y masa para más del 99,999% de su viaje total.

El barco

Un buque generador que lleve un millón de personas por tiempo indefinido necesitará transportar o generar un mínimo de 550.000.000 de litros de$O_2$por día. Mezclado para que coincida con las proporciones de la atmósfera de la Tierra, en la que$O_2$representa el 21% del aire, eso es una capacidad mínima de atmósfera de 2.620.000.000 litros.

Suponiendo un barco de cilindro giratorio clásico, es un cilindro de aproximadamente 3.000 km de largo y 1.050 km de ancho. Tal barco tendría una superficie interna de 11.700.000$km^2$, por lo que algo entre Canadá y la Antártida en tamaño. Nuevamente, ese es el mínimo indispensable , es decir, cero redundancia, cero desperdicio, cero pérdidas, para apoyar a un millón de adultos que respiran aire.

El medio interestelar

El 99% del medio interestelar en masa es gas, del cual el 70% es hidrógeno y el 28% helio. El oxígeno constituye cantidades mínimas: menos de 1000 moléculas por$cm^3$en el mejor de los casos; no es suficiente para cosechar en el camino para marcar la diferencia. A menos que se fusionen esas moléculas de H y He, tendrá que llevar consigo todo el oxígeno que necesita, de una forma u otra.

El ciclo del oxígeno

Afortunadamente, las personas y las plantas también necesitan agua para vivir, y el agua tiene oxígeno.

Para que estas personas sigan respirando, tendrá que simular o aproximarse al ciclo natural del oxígeno que se encuentra en la Tierra:

Específicamente los pasos de Hidrógeno y Oxígeno. Las únicas entradas que necesita este sistema son la luz que permite la fotosíntesis, que se puede lograr artificialmente, y reponer el hidrógeno perdido.

Hazlo crecer

Del mismo artículo de Wikipedia vinculado anteriormente, el ciclo del carbono representa el 99% del oxígeno almacenado en la roca; su nave necesitará la mayor cantidad de oxígeno producido y ciclado posible, y no puede justificar el espacio y la masa que requeriría una cantidad de roca y minerales de sustitución de la corteza, o el tiempo, por lo que será necesario omitir este paso.

La "reacción dependiente de la luz" en el diagrama anterior es la fotosíntesis: las plantas se combinan$6CO_2$(dióxido de carbono) con$6H_2O$(agua) y luz para producir$C_6H_{12}O_6$(azúcar – glucosa) y$6O_2$(oxígeno).

En la Tierra, el Amazonas produce más del 20 % del oxígeno total a partir de la fotosíntesis: el 20 % de 165 000 000 000 000 de litros; consulte la tabla 2 en el enlace anterior: en un área de aproximadamente 5.500.000$km^2$. Eso es decenas de miles de veces más oxígeno del que necesita, producido en un área de la mitad del tamaño del cilindro descrito.

(Hay otra forma de producir oxígeno llamada fotólisis: la luz ultravioleta rompe$H_2O$en sus partes constituyentes;$H_2$para ser absorbido/recolectado, el oxígeno libre se combina para$O_2$– pero en la Tierra no produce ni el 0,001% de la$O_2$respiramos, por lo que probablemente no deberíamos tenerlo en cuenta en esta situación).

Absolutamente no recogerás aire fresco en el camino. Los elementos se reciclarán y los átomos (incluido el oxígeno) se reutilizarán una y otra vez. Lo ideal es que solo necesites añadir energía . Otras pérdidas deben gestionarse para que lleve suficientes átomos para durar. A gran velocidad, es imposible reabastecerse en ruta, incluso si pasara algo en el espacio interestelar. Disminuir la velocidad es la mayor parte de su presupuesto de energía, por lo que solo lo hace una vez, cuando llega.

Un sistema de soporte de vida cerrado es una fábrica química elaborada o un pequeño ecosistema. Dado que especificó 100 millones de humanos, eso es una escala bastante grande y definitivamente es un ecosistema .

Se buscan a toda costa ciclos cerrados que en general se mantengan y regulen solos, además de reparar y reproducir componentes. Desea una redundancia masiva de unidades pequeñas, no máquinas enormes.

Entonces, estamos hablando de organismos vivos. Si se diseña alguna nanofabrica, es un punto discutible que no sea una bacteria u otra célula, ya que comparte todas las características sobresalientes con la vida natural.

Querrá estanques que circulen solos, no bombas y tuberías complejas. Todo terminará pareciéndose a la vida silvestre , incluidos los "árboles" y los "hongos" que en realidad son tecnología de ingeniería, y una gran parte de la producción de oxígeno se realiza con algas marinas.

Algea Aero/hydroponics crece lo suficientemente rápido, alimenta a su población, elimina el CO2 y produce oxígeno...

Pero en realidad, el hidrógeno, el oxígeno y/o el agua están por todas partes en el espacio. Tu nave podría incluso funcionar con un reactor de fusión/fisión que produce agua, energía y oxígeno.

Por definición, un barco de generación es autónomo durante todo su viaje. Con muy pocas excepciones, si se utiliza la ciencia dura, el sistema debe estar completamente cerrado, con pocas o ninguna pérdida. Eso incluye O2. Reciclar. Cada posible molécula de O2 necesita encontrar su camino de regreso. Sí, también deberías incluir el óxido en tus suposiciones...

Por supuesto, todos los sistemas de reciclaje también deben ser de circuito cerrado, con todos los productos de desecho y catalizadores reutilizables en algún lugar, de lo contrario, AQUELLOS se agotarían.

De ahí la dificultad con los sistemas de circuito cerrado...

O, si está ampliando la ciencia de su ficción, puede obtener oxígeno como subproducto de la fusión/fisión...

Los submarinos nucleares de hoy tienen sistemas que pueden eliminar el dióxido de carbono del aire, llamados depuradores. Sin embargo, producen su oxígeno por electrólisis del agua, y una nave espacial no puede hacer eso. Se están desarrollando varias tecnologías más nuevas para capturar el dióxido de carbono de la atmósfera, incluidos tubos transparentes llenos de algas fotosintéticas (en la Universidad de Kentucky) para hacer el uso más eficiente del espacio.

Tu nave espacial necesitará reciclar los átomos de carbono y oxígeno a bordo, porque no puede reemplazarlos. Eso significa que utiliza algún proceso que consume energía para convertir el dióxido de carbono y otros productos de desecho en oxígeno, además de moléculas orgánicas útiles, como los alimentos. Esto podría ser plantas, como en la Tierra, o podría ser ingeniería química para producir esencialmente los mismos productos finales. Por ejemplo, la luz ultravioleta puede dividir el dióxido de carbono en carbono y oxígeno , o es posible usar carbono, oxígeno e hidrógeno para sintetizar moléculas orgánicas complejas. La mayoría de las refinerías necesitan combustibles fósiles como materia prima, pero ahora también se puede hacer con electricidad, agua y dióxido de carbono para producir “crudo azul”.

El oxígeno no es el único problema al crear un ambiente respirable.

Esta respuesta utiliza solo tecnologías actualmente factibles o existentes

Si bien los astronautas de los programas Gemini y Apollo respiraron oxígeno al 100 % a presión reducida durante dos semanas sin problemas, respirar oxígeno puro a presiones a nivel de la Tierra no es médicamente recomendable (recuerde que estos astronautas fueron entrenados especialmente y se encontraban en óptimas condiciones físicas) . La atmósfera de la tierra es solo ~ 20% de oxígeno, por lo que nuestros cuerpos se han adaptado.

La toxicidad del oxígeno es un riesgo muy real en los vuelos espaciales tripulados (el oxígeno puro también es altamente explosivo). En consecuencia, la mayoría de las misiones de vuelos espaciales modernas (como las misiones ISS, Skylab, Space Shuttles y Orion MPCV) otorgan una gran importancia a la introducción de diluyentes de nitrógeno y oxígeno (excepción: los trajes presurizados usan oxígeno puro a la presión de inflado más baja).

El oxígeno es en gran parte reciclable, muchos otros comentarios han descrito buenas técnicas para reciclarlo. El oxígeno es el tercer elemento más común en la Vía Láctea con ~1,04% de la masa, por lo que se podrían enviar barcos más pequeños para recogerlo y regresar al barco de hábitat más grande con 100 millones de personas.

Existen algunas soluciones realistas para diluir el oxígeno, pero tienen sus ventajas y desventajas.

El nitrógeno, el séptimo elemento más común, es 1/10 tan común como el oxígeno a ~0,096 % de la masa, lo que haría que no fuera realista recolectarlo durante un viaje espacial y es relativamente pesado en comparación con el helio y el hidrógeno, ~7 y 14 veces más pesado respectivamente .

El helio se usa como diluyente en algunos equipos de buceo profundo (también conocido como Heliox). El helio es muy común en la vía láctea (el segundo elemento más común en ~24% de la masa). Sin embargo, existen 3 problemas significativos pero solucionables con el helio debido a su bajo peso molecular. 1) No es adecuado para el inflado de trajes secos (mal aislamiento térmico). 2) Deteriora pero no inhibe la comunicación (la velocidad del sonido es más rápida en un gas de menor peso molecular, lo que aumenta la frecuencia de resonancia de las cuerdas vocales). 3) Probablemente el más problemático pero aún solucionable es que las fugas de helio son mucho más comunes que otros gases. Los átomos de helio son más pequeños, lo que les permite pasar a través de espacios más pequeños en los sellos.

El hidrógeno es el elemento más común con un ~74 % de masa en la vía láctea y se ha utilizado en mezclas de gases de buceo profundo (también conocido como Hydrox), pero es muy explosivo cuando se mezcla con más de un 4 a un 5 % de oxígeno. El uso de mezclas de oxígeno del 4 al 5% se limita a inmersiones profundas (también tiene los mismos problemas de comunicación que el helio). Puede usar una mezcla segura de oxígeno al 5 % en un ambiente de cabina de alta presión (se producirán efectos secundarios) o tener algún tipo de máscara que filtre parte del hidrógeno al respirar para que la mezcla que ingresa al cuerpo tenga suficiente oxígeno pero el ambiente no. altamente inestable (Puede usar una mezcla de oxígeno de ~20 % y asegurarse de que nada lo active)

Oxígeno Solo si no se puede usar un diluyente en absoluto, hay un par de opciones. Hacerlo funcionar a aproximadamente 1/3 de la presión atmosférica terrestre mantendría la vida de algunos de los pasajeros en condiciones físicas óptimas, pero otros experimentarían insuficiencia respiratoria o afecciones tales como: embolias de aire venoso/vascular, toxicidad de oxígeno pulmonar, estrés oxidativo que exaspera las condiciones existentes. , retinopatía, hipoxia, enfermedad pulmonar obstructiva. El oxígeno puro es altamente explosivo incluso a presiones más bajas.

Pequeña nota sobre el contenido de humedad.

El gas generalmente se comprime para el almacenamiento, lo que elimina la humedad del mismo, aunque generalmente no es mortal, causa deshidratación, por lo que probablemente sea mejor volver a humedecer el aire.

Descargo de responsabilidad: no soy un instructor de buceo, si tiene la intención de utilizar esta información para bucear, consulte primero a un instructor de buceo. La información médica presentada se resume, consulte a un médico. No use esto como un consejo u opinión médica.

https://en.wikipedia.org/wiki/Life_support_system#Atmosphere https://en.wikipedia.org/wiki/Abundance_of_the_chemical_elements#Universe https://en.wikipedia.org/wiki/Breathing_gas#Helium https://en. .wikipedia.org/wiki/Breathing_gas#Hydrogen https://www.sae.org/publications/technical-papers/content/2005-01-2896/

Tienes que estirar algunas leyes de la física

Si quieres una verdadera nave del espacio profundo (por ejemplo, nada a tu alrededor, ni siquiera asteroides, durante cientos de años luz), tu tripulación está condenada . En algún momento, tu nave emitirá energía al espacio que te rodea en forma de radiación, que se acumulará con el tiempo. Además, en comparación con el vacío del espacio , perderá pequeños gases moleculares directamente a través de su casco . Esa pérdida será principalmente en forma de hidrógeno, que no extrañará mucho hasta que sus suministros de agua comiencen a agotarse.

Si estiramos un poco la ciencia...

Tal vez puedas encontrar una manera de detectar y rastrear asteroides e incluso planetas rebeldes fuera de los sistemas solares. Recoge y procesa esas fuentes a medida que avanza para reponer los suministros. Al ser una nave generacional, los planetas con los que te encuentras presumiblemente no son aptos para la habitación humana, pero aún podrían contener hielo y otros elementos/minerales que necesitas. Un ejemplo de la vida real de tal planeta sería Europa.

En cuanto al problema básico de que sus fuentes de energía se agotarán en algún momento... bueno, no lo mencionaré si no lo hace.