Почему в космосе нет воздуха и кислорода

А что есть в открытом космическом пространстве

Космос часто представляют как совершенно пустое пространство, в котором нет ни одной частицы вещества. На самом деле это не совсем так. Даже вдали от планет там встречаются атомы, молекулы, заряженные частицы и мельчайшая пыль. Однако их концентрация настолько мала, что окружающую среду невозможно сравнивать с привычным земным воздухом.

У поверхности Земли в одном кубическом сантиметре воздуха содержится порядка (10^{19}) молекул. В межпланетном пространстве возле орбиты нашей планеты концентрация частиц солнечного ветра обычно составляет лишь несколько единиц на кубический сантиметр. А ведь разница огромная. Космическая среда оказывается несравнимо более разреженной, чем даже воздух на вершине высокой горы.

Такое состояние называют вакуумом. При этом природный космический вакуум не обязательно означает абсолютное отсутствие материи. Речь идёт о чрезвычайно низкой плотности вещества и почти полном отсутствии привычного газового давления.

Что же можно встретить в открытом космосе:

• Солнечный ветер. Поток заряженных частиц, преимущественно протонов и электронов, который постоянно исходит от Солнца и распространяется по Солнечной системе;

• Межпланетный газ. Отдельные атомы и ионы, находящиеся на огромных расстояниях друг от друга;

• Космическая пыль. Мельчайшие твердые частицы, образовавшиеся в результате столкновений небесных тел и других процессов;

• Электромагнитное излучение. Солнечный свет, радиоволны, рентгеновское излучение и другие формы энергии, способные распространяться в вакууме.

Обычный воздух состоит главным образом из азота и кислорода. В земной атмосфере на долю азота приходится около 78%, а кислорода примерно 21%. Остальную часть составляют аргон, углекислый газ и другие компоненты. Благодаря достаточному давлению и концентрации кислорода такая смесь пригодна для человеческого дыхания.

В межпланетном пространстве подобной газовой оболочки нет. Отдельные атомы кислорода там могут встречаться, но их чрезвычайно мало. Даже если бы человек каким-то образом попытался вдохнуть окружающее вещество, он не получил бы необходимого количества кислорода.

Почему газ не заполняет весь космос с такой же плотностью, как земную атмосферу? Дело в огромных масштабах пространства и физических условиях, при которых распределяется вещество. Вокруг массивных планет газ может образовывать относительно плотные оболочки, а далеко от них частицы оказываются сильно рассеянными.

У космических газовых облаков существуют собственные механизмы удержания и движения вещества. Например, холодные молекулярные облака могут содержать относительно плотные по космическим меркам скопления газа, из которых впоследствии образуются звёзды. Но даже такие области обычно чрезвычайно разрежены по сравнению с воздухом у поверхности Земли.

Отсутствие плотной среды определяет и многие особенности открытого космоса. Здесь нельзя дышать без оборудования, невозможно передавать обычный разговор непосредственно через вакуум, а теплообмен существенно отличается от земных условий. При этом солнечное излучение свободно распространяется через пространство и может сильно нагревать освещенные поверхности.

Таким образом, точнее говорить не о полном отсутствии кислорода во всей Вселенной, а о том, что в открытом космическом пространстве нет атмосферы с подходящими для дыхания давлением и составом.

Что будет с человеком без воздуха и кислорода

Пребывание человека в открытом космосе без защитного оборудования представляет непосредственную угрозу жизни. Главная проблема заключается не только в отсутствии кислорода, но и в почти нулевом внешнем давлении. Организм человека приспособлен к условиям земной атмосферы, поэтому резкое попадание в вакуум нарушает сразу несколько жизненно важных процессов.

На Земле окружающий воздух оказывает давление на тело со всех сторон. Мы не ощущаем его постоянно, поскольку внутренние и внешние силы находятся в равновесии. В космосе это равновесие исчезает: давление снаружи становится чрезвычайно низким, а газы внутри организма начинают расширяться.

В первую очередь страдает дыхательная система. Если человек окажется в вакууме, он не сможет вдохнуть кислород из окружающей среды. Запаса кислорода, уже находящегося в крови, хватит лишь на очень короткое время нормального функционирования мозга.

По данным NASA, при аварийном воздействии близкого к вакууму давления человек может потерять сознание примерно через 10–15 секунд. Это не универсальная величина для любого случая: последствия зависят от условий воздействия и времени, в течение которого сохраняется опасная среда.

При этом распространённые кинематографические представления о вакууме часто преувеличены. Человеческое тело не взрывается мгновенно, кровь внутри сосудов не начинает моментально кипеть, а организм не превращается в лёд за несколько секунд. Кожа и стенки сосудов частично удерживают внутреннее давление, а быстрая потеря тепла в вакууме происходит не так, как в ледяной воде.

Наиболее важные последствия воздействия космического вакуума:

• Кислородное голодание. Без поступления кислорода мозг быстро теряет способность нормально работать, что приводит к потере сознания;

• Расширение газов. Воздух в лёгких и других полостях тела стремится увеличиться в объёме при падении внешнего давления;

• Воздействие низкого давления на жидкости. Влага на открытых поверхностях, включая слюну, может начать интенсивно испаряться и даже кипеть;

• Повреждение тканей. Возможны отеки, нарушения кровообращения и другие последствия резкой декомпрессии;

• Воздействие излучения. Без соответствующей защиты организм подвергается интенсивному ультрафиолетовому и другим видам космического излучения.

Особенно опасно пытаться задержать дыхание при резкой декомпрессии. Расширяющийся воздух может повредить легкие, поэтому в аварийных инструкциях для высотных и космических условий уделяется особое внимание предотвращению баротравмы.

Интересно, что существуют документированные случаи кратковременного воздействия очень низкого давления во время наземных испытаний космического оборудования. В одном из таких происшествий в 1965 году испытатель потерял сознание приблизительно через 14 секунд после падения давления в скафандре. Быстрое восстановление давления позволило избежать смертельного исхода.

Однако подобный случай не означает, что воздействие вакуума можно безопасно переносить в течение определенного количества секунд. Это чрезвычайно опасное состояние, при котором исход зависит от множества факторов. Главная задача систем жизнеобеспечения - это полностью предотвращать такие ситуации.

Отсюда становится понятно, почему человеку нужен не просто запас кислорода, а полноценная герметичная среда с контролируемым давлением. Даже чистый кислород не решит проблему, если его невозможно доставить в легкие при подходящих физических условиях.

Чем тогда дышат космонавты

Внутри международной космической станции поддерживается искусственная атмосфера, пригодная для дыхания. По составу и давлению она близка к привычной земной воздушной среде. Поэтому космонавты могут находиться в жилых модулях без скафандров, разговаривать, работать и заниматься физическими упражнениями.

За поддержание безопасных условий отвечают инженерные системы жизнеобеспечения. Они контролируют содержание кислорода, удаляют избыточный углекислый газ, поддерживают нужную влажность, очищают воздух от загрязнений и обеспечивают его циркуляцию между отсеками.

Почему нельзя просто наполнить станцию чистым кислородом? Такая среда при обычном земном давлении значительно повышала бы пожарную опасность. Кроме того, для дыхания важна не только процентная доля кислорода, но и его парциальное давление - это вклад этого газа в общее давление смеси.

Поэтому внутри МКС используют атмосферу, близкую к земной, с кислородом и азотом. Специальные приборы постоянно отслеживают ее параметры, чтобы изменения не создавали угрозу экипажу.

Когда космонавт выходит за пределы станции, условия становятся совершенно другими. В открытом пространстве ему необходим скафандр, который обеспечивает герметичность и собственную систему жизнеобеспечения. В таких скафандрах обычно используется кислородная среда при более низком общем давлении, чем внутри станции.

Для выхода в космос одного кислородного баллона недостаточно. Необходимо удалять выдыхаемый углекислый газ, обеспечивать циркуляцию газа внутри шлема, поддерживать температуру тела и контролировать множество других параметров.

Система жизнеобеспечения скафандра выполняет несколько связанных задач. Кислород поступает из соответствующих резервуаров, регуляторы поддерживают необходимое давление, а вентиляторы обеспечивают движение газа по замкнутому контуру. Специальные поглотители очищают его от углекислого газа, который в закрытом объёме мог бы быстро накопиться до опасной концентрации.

Перед выходом из станции космонавты также проходят подготовку к изменению давления и газового состава дыхательной среды. Это необходимо, чтобы уменьшить риск декомпрессионной болезни, связанной с образованием газовых пузырьков в тканях при слишком быстром снижении давления.

Воздух внутри космического корабля и газовая среда скафандра, таким образом, организованы по-разному. Но обе системы решают одну задачу: поддерживают условия, при которых человек способен безопасно получать кислород и выводить углекислый газ.

А как генерируется воздух на МКС

На Международной космической станции нельзя постоянно расходовать запасы кислорода без восполнения. Экипаж ежедневно использует его для дыхания, а часть газа теряется при эксплуатации оборудования и работе шлюзовых отсеков. Поэтому инженеры создали системы, которые позволяют производить кислород непосредственно на борту.

Основной принцип производства - это электролиз воды. Под действием электрического тока молекулы воды разделяются на кислород и водород. Полученный кислород направляется в атмосферу станции, где он становится доступным для дыхания.

Реакцию можно записать следующим образом:

2H₂O → 2H₂ + O₂

Таким образом, исходным материалом служит вода, а энергию для процесса обеспечивает электрическая система станции. Это позволяет существенно сократить потребность в доставке готового кислорода с Земли.

В работе используются американская система Oxygen Generation System и оборудование российского сегмента, включая установку «Электрон». Они реализуют сходный физический принцип, хотя различаются инженерной конструкцией и особенностями эксплуатации.

Но откуда берется сама вода? Часть запасов доставляется грузовыми кораблями, а значительное количество получается благодаря системе регенерации. На станции собирают и очищают конденсат из воздуха, а также перерабатывают другие доступные водные потоки. После многоступенчатой очистки вода может вновь использоваться экипажем и оборудованием.

Существует и технология частичного возвращения кислорода из углекислого газа. В реакции Сабатье водород соединяется с собранным из атмосферы CO₂, образуя воду и метан. Воду можно повторно направить на электролиз, а метан в используемой на МКС схеме обычно удаляется из системы.

Но важно понимать, что станция пока не представляет собой полностью замкнутую экологическую систему. Для её работы необходимы обслуживание, замена расходных материалов и периодическая доставка определённых запасов с Земли.

Помимо выработки кислорода, необходимо непрерывно очищать воздух. Экипаж выдыхает углекислый газ, а оборудование и материалы способны выделять следовые количества различных веществ. Если их не удалять, качество атмосферы постепенно ухудшается.

Поэтому система восстановления воздуха работает совместно с системой удаления углекислого газа, фильтрами, вентиляцией и приборами контроля. Специалисты наблюдают за давлением, газовым составом и концентрациями загрязняющих веществ, чтобы поддерживать пригодную для жизни среду.

На станции существуют и резервные способы пополнения запасов кислорода. Его можно подавать из ёмкостей, доставленных грузовыми кораблями, а в предусмотренных ситуациях использовать специальные химические генераторы. Наличие нескольких способов обеспечения кислородом повышает надёжность всей системы.

Для будущих экспедиций к Луне и Марсу такие технологии особенно важны. Доставка каждого килограмма груза требует ресурсов, поэтому повторное использование воды и других веществ становится необходимым условием длительного пребывания человека вдали от Земли.

При этом ученые исследуют возможность получения кислорода из местных ресурсов. Например, экспериментальная установка MOXIE на марсоходе Perseverance продемонстрировала получение кислорода из углекислого газа марсианской атмосферы. Это не означает, что на Марсе уже создана система жизнеобеспечения для людей, но показывает перспективность подобных технологий.

Таким образом, космонавты не получают воздух из окружающего космического пространства. Внутри корабля его состав и давление поддерживаются инженерными системами, а кислород частично производится из воды. Именно благодаря этим технологиям человек может жить и работать там, где природной атмосферы, пригодной для дыхания, нет.

Немного про нашу игру

Если вам интересны далёкие миры и освоение космоса, попробуйте WarForGalaxy - бесплатную кроссплатформенную 4X-стратегию про развитие планет и галактические войны. Создавайте колонии и флоты, объединяйтесь с игроками со всего мира и используйте ИИ-помощника Hermes для управления своей империей. Играть можно на смартфоне или прямо в браузере компьютера.