Выход «Дюны», экранизации культового романа Фрэнка Герберта — хороший повод поговорить о фантастической технике. Многие устройства вселенной Дюны созданы по технологиям, граничащим с магией не только по меркам 1963 года, но и 2021-го. Можно ли реализовать сегодня или в ближайшем будущем хотя бы некоторые? Давайте разберемся с дистилляционным комбинезоном, который нужен каждому, кто собрался выйти в пустыню Арракиса.
Трехслойный костюм фремена, жителя планеты Арракис (и не только, но, согласно первоисточнику, лучшие дистикомбы делают именно на Арракисе), предназначен для того, чтобы удерживать, перерабатывать и заново употреблять влагу тела в тяжелых условиях пустыни.
В его основе лежит высокоэффективный и многослойный фильтр и теплообменная система. Внутренний пористый слой обеспечивает нормальный процесс испарения, охлаждающий тело. Два следующих слоя содержат волокна теплообмена и охлаждения солей. Работа органов дыхания обеспечивается с помощью насоса. Регенерированная вода скапливается в специальном резервуаре, откуда подводится по трубке к зажиму у шеи. Моча и кал подвергаются переработке в набедренных ёмкостях. Когда вы находитесь в открытом пространстве пустыни, вот этот фильтр закрывает ваше лицо, а эта носовая трубка предохраняет от горячего воздуха: вдыхаете через ротовой фильтр, выдыхаете через носовую трубку. Когда комбинезон хорошо подогнан, человек в нём теряет лишь один глоток в день. — Фрэнк Герберт, «Дюна» (1963)
Дистилляционный комбинезон, по сути, — вариант системы обеспечения жизнедеятельности (СОЖ), которая используется на аппаратах, работающих во враждебных для человека средах — на космических кораблях и станциях, подводных лодках и атомных убежищах. Автор умалчивает о том, каким образом получается необходимый для дыхания кислород (скорее всего, все-таки из атмосферы Арракиса), но упоминает, что вода для питья получается из влаги, выделяемой человеком при потении и переработке отходов жизнедеятельности организма.
Насколько такая система реализуема в виде плотно прилегающей, легкой и не сковывающей движения одежды для постоянной носки? У нас, несмотря на немалый прогресс соответствующих технологий, пока нет достаточно инновационной ткани (или многослойной комбинации тканей), которая бы только за счет собственных физико-химических свойств не только впитывала пот и прочие жидкости, выделяемые организмом, но еще и перерабатывала их в годную для употребления воду, заботясь при этом о поддержании теплового баланса организма. А если пот не будет испаряться, унося с собой тепло в процессе преобразования воды в пар, человек очень быстро умрет от перегрева. Однако систему для сбора воды сделать в виде костюма можно. Хотя работать она будет несколько сложнее, чем описано в «Дюне».
Дано
Для начала определимся с исходными данными. Для поддержания жизнедеятельности взрослого человека в сутки требуется около килограмма кислорода, примерно 2,5 килограмма жидкой воды и около 0,5-1,0 килограмма твердой пищи. Дыхание, которое обеспечивает нормальное течение обмена веществ и энергии в организме, не только расходует кислород и генерирует углекислый газ: побочным продуктом метаболизма является также водяной пар (в переводе на жидкость до 1,2 килограмма воды в сутки). А с потом даже в умеренном климате человек теряет в среднем 0,3–0,5 килограмма воды в сутки на квадратный метр поверхности тела. Эти потери могут увеличиться в разы в жаркой среде или даже в умеренных условиях при тяжелой физической работе.
Но будем считать, что даже в суровом климате Арракиса (предполагая, что в норме выход фременов в пустыню не предполагает тяжелого труда) среднее человеческое тело теряет с потом 0,85 килограмма воды в сутки. Еще 1,5 килограмма жидкости выводится из организма с уриной и 0,2 килограмма — с фекалиями. Итого человек ежесуточно выделяет около 3,75 килограмма воды при нормальной жизнедеятельности и умеренных физических нагрузках. Ее можно собрать и сохранить в пригодном для питья состоянии.
При этом не стоит забывать: для того, чтобы организм не перегрелся, его следует охлаждать, например, активной теплопередачей (обдувом поверхности тела прохладным воздухом или через специальное белье с трубками, по которым циркулирует хладагент) с последующим сбросом избыточного тепла путем конвекции в атмосферу через внешний теплообменник.
Как получить воду из дыхания
Получить воду из метаболитов — что газообразных, что жидких, что твердых — в общем-то, не проблема. Однако надо иметь в виду, что даже в выдыхаемом воздухе, кроме паров воды, содержится до 400 веществ, часть которых (например, ацетон) токсичны.
А ядовитых примесей в воде, полученной из жидких и твердых отходов жизнедеятельности организма, и того больше. Поэтому воду необходимо не только сконденсировать или собрать, но и очистить от вредных примесей и неприятных вкусов и запахов — например, с помощью ионообменных смол и активированного угля.
Технология конденсации воды применяется уже давно: воздух прокачивается (или свободно проходит, например, под действием ветра) через конденсатор, охлаждаемый до температуры ниже точки росы, и на поверхности конденсатора образуется дистиллят — капельки влаги, которые стекают (или активно собираются) в водосборник.
При температуре среды 20 градусов Цельсия в тысяче кубометров воздуха 20-процентной влажности содержится примерно 35 литров воды, а при 40-процентной влажности ─ 70 литров.
Для получения и очистки дистиллята, содержащего сравнительно мало примесей, обычно используются методы сорбции (поглощения), фильтрации, коагуляции, а также очистка полупроницаемыми мембранами. Система фильтров избавляет дистиллированную воду от различных примесей и одновременно минерализует ее. Эти процессы требуют малых затрат энергии (обычно только для привода вспомогательных устройств типа насосов и воздуходувок), но нуждаются в замене фильтров.
Для регенерации воды из жидких и твердых отходов можно воспользоваться методами лиофилизации или вакуумной дистилляции: вещество сначала замораживается, а затем при пониженном давлении обеспечивается возгонка растворителя при низких температурах. Вода испаряется, а сложные органические соединения остаются в твердом состоянии. Далее идет уже описанный выше процесс конденсации влаги. В космосе с вакуумом и низкими температурами проблем особых нет, а вот на атмосферной планете типа Арракиса придется что-то делать.
Воздух Арракиса, согласно «Энциклопедии Дюны», состоит из:
- азота (74,32 процента),
- кислорода (23,58 процента),
- аргона (1,01 процента).
Остальное — водяной пар (менее 0,5 процента), диоксид углерода (0,035 процента) и озон (0,52 процента). То есть от земного он практически ничем не отличается.
Кроме того, получение воды из твердых биологических отходов сопряжено с большими сложностями, энергозатратами, требует использования катализаторов (например, на основе диоксидов марганца и кремния) и температур около 150 градусов Цельсия).
Следует учесть, что сконденсировать всю воду из атмосферного воздуха невозможно. В пределах разумной экономической эффективности этот процесс реализуется в диапазоне температур окружающей среды от 15 до 30 градусов Цельсия при относительной влажности выше 35 процентов.
История СОЖ
Системы регенерации воды из конденсата атмосферной влаги и отходов жизнедеятельности человека уже давно шагнули со страниц фантастических романов в реальную жизнь.
Первые эксперименты по созданию замкнутых (по воде и кислороду) физико-химических (небиологических) СОЖ для применения на космических или подводных аппаратах, проведенные в 1960-е годы, привели к созданию реально работающих систем регенерации воды из выдыхаемого экипажем воздуха, мочи и использованных санитарно-гигиенических вод, но потребовали заметных расходов энергии.
В январе 1975 года впервые в мировой практике пилотируемых полетов экипаж долговременной орбитальной станции «Салют-4» — Алексей Губарев и Георгий Гречко — использовал регенерированную из атмосферного конденсата воду для питья и готовки. Аналогичные системы работали затем на станциях «Салют-6» и «Салют-7».
На комплексе «Мир» впервые был реализован уже почти полный комплекс физико-химических систем регенерации воды из конденсата, урины и санитарно-гигиенической воды (кислород для дыхания получали методом электролиза воды, регенерированной из урины).
Эффективность регенерации подтверждена опытом многолетней эксплуатации «Мира», на борту которого успешно функционировали такие агрегаты:
- система регенерации воды из конденсата атмосферной влаги (СРВ-К);
- система регенерации воды из урины (СРВ-У);
- система приема и консервации урины (СПК-У);
- система генерирования кислорода на основе процесса электролиза воды («Электрон»);
- система удаления углекислого газа («Воздух»);
- блок удаления вредных микропримесей (БМП).
Эта солидная аппаратура. Масса блоков СРВ-К — 97,3 килограмма, а с учетом сменного оборудования (фильтры, заменяемые элементы) — уже 625,7 килограмма. Масса блоков СРВ-У и СПК-У вместе — 245,5 килограмма (и 754,7 килограмма со сменными элементами). Все эти аппараты потребляют много энергии: среднесуточная потребляемая мощность СРВ-К — 40 ватт, СРВ-У и СПК-У — 340 ватт. На МКС сейчас работают усовершенствованные системы регенерации воды из конденсата атмосферной влаги, обладающие сопоставимыми характеристиками.
Макет системы кондиционирования и жизнеобеспечения ECLSS американского сегмента МКС (2001 год). Слева направо: душевая стойка, стойка для удаления отходов, две стойки регенерации воды, стойка получения кислорода / NASA