Вихід «Дюни», екранізації культового роману Френка Герберта - хороший привід поговорити про фантастичну техніку. Багато пристроїв всесвіту Дюни створені за технологіями, що межують з магією не тільки за мірками 1963 року, але і 2021-го. Чи можна реалізувати сьогодні або в найближчому майбутньому хоча б деякі? Давайте розберемося з дистиляційним комбінезоном, який потрібен кожному, хто зібрався вийти в пустелю Арракіса.
Тришаровий костюм фремена, жителя планети Арракіс (і не тільки, але, згідно з першоджерелом, кращі дистикомби роблять саме на Арракісі), призначений для того, щоб утримувати, переробляти і заново вживати вологу тіла у важких умовах пустелі.
У його основі лежить високоефективний і багатошаровий фільтр і теплообмінна система. Внутрішній пористий шар забезпечує нормальний процес випаровування, що охолоджує тіло. Два наступні шари містять волокна теплообміну та охолодження солей. Робота органів дихання забезпечується за допомогою насоса. Регенерована вода накопичується в спеціальному резервуарі, звідки підводиться по трубці до затиску біля шиї. Сеча і кал піддаються переробці в набідрених ємностях. Коли ви перебуваєте у відкритому просторі пустелі, ось цей фільтр закриває ваше обличчя, а ця носова трубка оберігає від гарячого повітря: вдихаєте через ротовий фільтр, видихаєте через носову трубку. Коли комбінезон добре підігнаний, людина в ньому втрачає лише один ковток на день. - Френк Герберт, «Дюна» (1963)
Дистиляційний комбінезон, по суті, - варіант системи забезпечення життєдіяльності, яка використовується на апаратах, що працюють у ворожих для людини середовищах - на космічних кораблях і станціях, підводних човнах і атомних притулках. Автор замовчує про те, яким чином виходить необхідний для дихання кисень (швидше за все, все-таки з атмосфери Арракіса), але згадує, що вода для пиття виходить з вологи, що виділяється людиною при потінні і переробці відходів життєдіяльності організму.
Наскільки така система реалізується у вигляді щільно прилеглої, легкої і не сковуючої руху одягу для постійної шкарпетки? У нас, незважаючи на чималий прогрес відповідних технологій, поки немає достатньо інноваційної тканини (або багатошарової комбінації тканин), яка б тільки за рахунок власних фізико-хімічних властивостей не тільки вбирала піт та інші рідини, що виділяються організмом, але ще й переробляла їх у придатну для вживання воду, дбаючи при цьому про підтримку теплового балансу організму. А якщо піт не буде випаровуватися, вносячи з собою тепло в процесі перетворення води в пар, людина дуже швидко помре від перегріву. Однак систему для збору води зробити у вигляді костюма можна. Хоча працювати вона буде дещо складніше, ніж описано в «Дюні».
Дано
Для початку визначимося з вихідними даними. Для підтримки життєдіяльності дорослої людини на добу потрібно близько кілограма кисню, приблизно 2,5 кілограма рідкої води і близько 0,5-1,0 кілограма твердої їжі. Дихання, яке забезпечує нормальний перебіг обміну речовин та енергії в організмі, не тільки витрачає кисень і генерує вуглекислий газ: побічним продуктом метаболізму є також водяний пар (у переведенні на рідину до 1,2 кілограма води на добу). А з потім навіть у помірному кліматі людина втрачає в середньому 0,3-0,5 кілограма води на добу на квадратний метр поверхні тіла. Ці втрати можуть збільшитися в рази в спекотному середовищі або навіть в помірних умовах при важкій фізичній роботі.
Але будемо вважати, що навіть у суворому кліматі Арракіса (припускаючи, що в нормі вихід фременів у пустелю не передбачає важкої праці) середнє людське тіло втрачає з потім 0,85 кілограма води на добу. Ще 1,5 кілограма рідини виводиться з організму з уриною і 0,2 кілограма - з фекаліями. Разом людина щодоби виділяє близько 3,75 кілограма води при нормальній життєдіяльності і помірних фізичних навантаженнях. Її можна зібрати і зберегти в придатному для пиття стані.
При цьому не варто забувати: для того, щоб організм не перегрівся, його слід охолоджувати, наприклад, активною теплопередачею (обдувом поверхні тіла прохолодним повітрям або через спеціальну білизну з трубками, по яких циркулює холодоагент) з подальшим скиданням надлишкового тепла шляхом конвекції в атмосферу через зовнішній теплообмінник.
Як отримати воду з дихання
Отримати воду з метаболітів - що газоподібних, що рідких, що твердих - загалом-то, не проблема. Однак треба мати на увазі, що навіть у видихуваному повітрі, крім парів води, міститься до 400 речовин, частина яких (наприклад, ацетон) токсичні.
А отруйних домішок у воді, отриманої з рідких і твердих відходів життєдіяльності організму, і того більше. Тому воду необхідно не тільки сконденсувати або зібрати, а й очистити від шкідливих домішок і неприємних смаків і запахів - наприклад, за допомогою іонообмінних смол і активованого вугілля.
Технологія конденсації води застосовується вже давно: повітря прокачується (або вільно проходить, наприклад, під дією вітру) через конденсатор, що охолоджується до температури нижче точки роси, і на поверхні конденсатора утворюється дистилят - крапельки вологи, які стікають (або активно збираються) у водозбірник.
При температурі середи 20 градусів Цельсія в тисячі кубометрів повітря 20-відсоткової вологості міститься приблизно 35 літрів води, а при 40-відсотковій вологості - 70 літрів.
Для отримання та очищення дистиляту, що містить порівняно мало домішок, зазвичай використовуються методи сорбції (поглинання), фільтрації, коагуляції, а також очищення напівпроникними мембранами. Система фільтрів позбавляє дистильовану воду від різних домішок і одночасно мінералізує її. Ці процеси потребують малих витрат енергії (зазвичай тільки для приводу допоміжних пристроїв типу насосів і повітродувок), але потребують заміни фільтрів.
Для регенерації води з рідких і твердих відходів можна скористатися методами ліофілізації або вакуумної дистиляції: речовина спочатку заморожується, а потім при зниженому тиску забезпечується возгонка розчинника при низьких температурах. Вода випаровується, а складні органічні сполуки залишаються в твердому стані. Далі йде вже описаний вище процес конденсації вологи. У космосі з вакуумом і низькими температурами проблем особливих немає, а ось на атмосферній планеті типу Арракіса доведеться щось робити.
Повітря Арракіса, згідно з «Енциклопедією Дюни», складається з:
- азоту (74,32 відсотка),
- кисню (23,58 відсотка),
- аргону (1,01 відсотка).
Решта - водяний пар (менше 0,5 відсотка), діоксид вуглецю (0,035 відсотка) і озон (0,52 відсотка). Тобто від земного він практично нічим не відрізняється.
Крім того, отримання води з твердих біологічних відходів пов'язане з великими складнощами, енерговитратами, вимагає використання каталізаторів (наприклад, на основі діоксидів марганцю і кремнію) і температур близько 150 градусів Цельсія).
Слід врахувати, що сконденсувати всю воду з атмосферного повітря неможливо. У межах розумної економічної ефективності цей процес реалізується в діапазоні температур навколишнього середовища від 15 до 30 градусів Цельсія при відносній вологості вище 35 відсотків.
Історія
Системи регенерації води з конденсату атмосферної вологи і відходів життєдіяльності людини вже давно зробили крок зі сторінок фантастичних романів у реальне життя.
Перші експерименти зі створення замкнутих (по воді і кисню) фізико-хімічних (небіологічних) ЛІД для застосування на космічних або підводних апаратах, проведені в 1960-ті роки, призвели до створення реально працюючих систем регенерації води з видихуваного екіпажем повітря, сечі і використаних санітарно-гігієнічних вод, але зажадали помітних витрат енергії.
У січні 1975 року вперше у світовій практиці пілотованих польотів екіпаж довготривалої орбітальної станції «Салют-4» - Олексій Губарєв і Георгій Гречко - використовував регенеровану з атмосферного конденсату воду для пиття і готування. Аналогічні системи працювали потім на станціях «Салют-6» і «Салют-7».
На комплексі «Мир» вперше було реалізовано вже майже повний комплекс фізико-хімічних систем регенерації води з конденсату, урини та санітарно-гігієнічної води (кисень для дихання отримували методом електролізу води, регенерованої з урини).
Ефективність регенерації підтверджена досвідом багаторічної експлуатації «Миру», на борту якого успішно функціонували такі агрегати:
- система регенерації води з конденсату атмосферної вологи (СРВ-К);
- система регенерації води з урини (СРВ-У);
- система прийому та консервації урини (СПК-У);
- система генерування кисню на основі процесу електролізу води («Електрон»);
- система видалення вуглекислого газу («Повітря»);
- блок видалення шкідливих мікропримісей (БМП).
Ця солідна апаратура. Маса блоків СРВ-К - 97,3 кілограма, а з урахуванням змінного обладнання (фільтри, замінювані елементи) - вже 625,7 кілограма. Маса блоків СРВ-У і СПК-У разом - 245,5 кілограма (і 754,7 кілограма зі змінними елементами). Всі ці апарати споживають багато енергії: середньодобова споживана потужність СРВ-К - 40 ватт, СРВ-У і СПК-У - 340 ватт. На МКС зараз працюють удосконалені системи регенерації води з конденсату атмосферної вологи, що володіють порівнянними характеристиками.
Макет системи кондиціонування і життєзабезпечення ECLSS американського сегмента МКС (2001 рік). Зліва направо: душова стійка, стійка для видалення відходів, дві стійки регенерації води, стійка отримання кисню/NASA