Die Internationale Raumstation (ISS)-ein bewohnbarer künstlicher Satellit, der die Erde in einer Höhe von etwa 400 Kilometern umkreist-verfügt über ein hochentwickeltes, geschlossenes-Sauerstoffsystem, um seine Besatzung aus 7 Astronauten (maximale Kapazität) monatelang zu versorgen. Anders als auf der Erde, wo Sauerstoff in der Atmosphäre reichlich vorhanden ist, ist der Weltraum ein Vakuum ohne natürliche Sauerstoffquelle. Das bedeutet, dass die ISS Sauerstoff vollständig an Bord produzieren, speichern, verteilen und recyceln muss und gleichzeitig Abgase wie Kohlendioxid (CO₂) verwalten muss. Beim Design des Systems stehen Zuverlässigkeit (um lebensbedrohliche Ausfälle zu vermeiden), Effizienz (um Nachschubeinsätze zu minimieren) und Anpassungsfähigkeit (um Änderungen der Besatzungsgröße und Fehlfunktionen der Ausrüstung zu bewältigen) im Vordergrund. Nachfolgend finden Sie eine umfassende Aufschlüsselung des Sauerstoffsystems der ISS, einschließlich seiner Kernkomponenten, Arbeitsprinzipien, Herausforderungen und Backup-Protokolle.
1. Aufrechterhaltung einer bewohnbaren Atmosphäre
Bevor wir uns mit technischen Details befassen, ist es wichtig, das Hauptziel des Sauerstoffsystems der ISS zu verstehen: die Aufrechterhaltung einer Atmosphäre, die der der Erde so nahe wie möglich kommt. Für das Überleben der Menschheit benötigt die ISS:
Sauerstoffkonzentration: 21 % (das gleiche wie die Erdatmosphäre), was der optimale Wert für die Atmung und die Vermeidung von Hypoxie (niedriger Sauerstoffgehalt) oder Sauerstofftoxizität (hoher Sauerstoffgehalt) ist.
Druck: 101,3 Kilopascal (kPa) oder 1 Atmosphäre (atm)-entspricht dem Druck auf Meereshöhe-auf der Erde. Dies verhindert die Dekompressionskrankheit (ein Risiko, wenn der Druck zu stark abfällt) und ermöglicht Astronauten, ohne spezielle Ausrüstung normal zu atmen (außer bei Weltraumspaziergängen).
Gaswäsche: Entfernung von Abgasen wie CO₂ (entsteht durch Atmung) und Spurenverunreinigungen (z. B. flüchtige organische Verbindungen aus Geräten oder Lebensmitteln).
Um dies zu erreichen, fungiert das Sauerstoffsystem der ISS alshalb-geschlossener Kreislauf-Es produziert neuen Sauerstoff, recycelt Sauerstoff aus Abfallströmen, speichert überschüssigen Sauerstoff für Notfälle und verteilt ihn gleichmäßig in den Modulen der Station.
2. Das Sauerstofferzeugungssystem (OGS)
Die Hauptsauerstoffquelle der ISS ist dieSauerstofferzeugungssystem (OGS), ein modularer Aufbau, der von der NASA und dem russischen Roscosmos entwickelt wurde (mit Beiträgen der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der Japan Aerospace Exploration Agency JAXA). Die OGS verwendetElektrolyse-derselbe chemische Prozess, der in einigen erdbasierten-Sauerstoffgeneratoren-verwendet wird, um Wasser (H₂O) in Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂) zu spalten. Hier ist eine detaillierte Aufschlüsselung seiner Komponenten und Funktionsweise:
2.1 Bestandteile des OGS
Das OGS besteht aus drei wichtigen Subsystemen mit jeweils spezieller Hardware:
Wasseraufbereitungsversammlung (WPA): Vor der Elektrolyse muss das Wasser gereinigt werden, um Verunreinigungen (z. B. Salze, organische Stoffe) zu entfernen, die die Elektroden des OGS beschädigen könnten. Die WPA sammelt Wasser aus drei Quellen:
Recyceltes Wasser: Kondensat aus der Luft der Station (Wasserdampf aus Atmung und Schwitzen), aufbereitetes Abwasser (z. B. aus Waschbecken, Duschen) und Urin (aufbereitet von der Urine Processing Assembly, UPA).
Wasser nachfüllen: Wasser wird über Frachtraumschiffe (z. B. Dragon von SpaceX, Cygnus von Northrop Grumman) als Backup für den Fall geliefert, dass Recyclingsysteme ausfallen.
Brennstoffzellenwasser: Ein Nebenprodukt der ehemaligen Brennstoffzellen der Station (die zur Stromerzeugung vor der Installation von Solaranlagen verwendet wurden). Obwohl Brennstoffzellen keine primäre Energiequelle mehr sind, wird ihr Restwasser, sofern verfügbar, weiterhin genutzt.
Elektrolysemodul (EM): Das Herzstück des OGS, das EM, enthält zweiFestoxid-Elektrolysezellen (SOECs)-fortgeschrittene Geräte, die hohe Temperaturen (600–800 Grad) nutzen, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufzuspalten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Elektrolysesystemen (die flüssige Elektrolyte verwenden) verwenden SOECs einen festen Keramikelektrolyten, der effizienter, kompakter und im Weltraum haltbarer ist. So funktioniert der Prozess:
Gereinigtes Wasser wird den SOECs als Dampf zugeführt (zur Effizienzsteigerung verdampft).
Ein elektrischer Strom (von den Solaranlagen der ISS) wird an die Elektroden (Anode und Kathode) der SOECs angelegt.
An der Anode reagiert Dampf mit dem Keramikelektrolyten und erzeugt Sauerstoffgas (O₂), Elektronen und Wasserstoffionen (H⁺).
Elektronen fließen durch einen externen Stromkreis (wodurch eine kleine Menge zusätzlicher Elektrizität erzeugt wird), während Wasserstoffionen durch den Elektrolyten zur Kathode wandern.
An der Kathode verbinden sich Wasserstoffionen mit Elektronen zu Wasserstoffgas (H₂).
Sauerstoffhandhabungs-Subsystem (OHS): Nach der Produktion wird Sauerstoff aus dem EM verarbeitet und verteilt:
Kühlung: Das heiße Sauerstoffgas (aus den SOECs) wird mithilfe von Wärmetauschern (verbunden mit dem Wärmekontrollsystem der ISS) auf Raumtemperatur abgekühlt.
Trocknen: Der verbleibende Wasserdampf wird mithilfe von Molekularsieben (ähnlich denen in erdbasierten Sauerstoffkonzentratoren) entfernt, um Kondensation in den Rohren der Station zu verhindern.
Verteilung: Der trockene, reine Sauerstoff (Reinheit 99,999 %) wird über ein Netzwerk aus Ventilen und Rohren in die Atmosphäre der ISS geleitet und vermischt sich mit der vorhandenen Luft, um die Konzentration von 21 % aufrechtzuerhalten.
Wasserstoffentlüftung: Das Wasserstoffnebenprodukt wird von der ISS nicht genutzt (da die Station mit Solarenergie und nicht mit Wasserstoffbrennstoffzellen betrieben wird) und in den Weltraum geleitet. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu frühen Raumstationen wie der Mir, die Wasserstoff zur Stromerzeugung nutzten.
2.2 Effizienz und Kapazität des OGS
Das OGS ist darauf ausgelegt, den täglichen Sauerstoffbedarf der ISS zu decken, der etwa 0,84 Kilogramm (kg) pro Astronaut beträgt (entspricht etwa 588 Litern gasförmigem Sauerstoff bei 1 atm). Bei einer 7-köpfigen Besatzung sind das insgesamt etwa 5,88 kg Sauerstoff pro Tag. Zu den wichtigsten Leistungskennzahlen des OGS gehören:
Produktionsrate: Jede SOEC kann etwa 0,5 kg Sauerstoff pro Tag produzieren, sodass die beiden SOECs zusammen etwa 1 kg pro Tag erzeugen. Allerdings wird das System in einem gestaffelten Modus betrieben (ein SOEC aktiv, einer im Standby-Modus), um den Verschleiß zu reduzieren, was zu einer Nettoproduktion von ~0,5 kg pro Tag führt. Dies bedeutet, dass das OGS allein nicht den Bedarf der gesamten Besatzung decken kann-daher sind zusätzliche Sauerstoffquellen erforderlich (siehe Abschnitt 3).
Energieeffizienz: SOECs sind hocheffizient und wandeln etwa 80 % der elektrischen Energie in Sauerstoff um (im Vergleich zu etwa 60 % bei herkömmlichen Elektrolysesystemen). Dies ist von entscheidender Bedeutung, da die Solaranlagen der ISS eine begrenzte Kapazität haben (~120 Kilowatt, kW, Leistung für alle Systeme).
Zuverlässigkeit: Das OGS hat eine Designlebensdauer von 15 Jahren (verlängert von ursprünglich 10 Jahren) und enthält redundante Komponenten (z. B. Backup-SOECs, Ventile), um Ausfälle zu verhindern. Seit seiner Installation im Jahr 2008 (als Teil des Node-3-Moduls der ISS, Tranquility), sind beim OGS nur kleinere Probleme aufgetreten (z. B. verstopfte Wasserfilter), die durch Ferndiagnose behoben werden konnten.
3. Backup- und Zusatzsysteme
Während das OGS die primäre Sauerstoffquelle ist, ist die ISS auf drei sekundäre Systeme angewiesen, um eine kontinuierliche Versorgung zu gewährleisten-kritisch für den Fall, dass das OGS ausfällt oder bei Spitzenbedarf (z. B. wenn die Besatzungsgröße vorübergehend zunimmt).
3.1 Drucksauerstofftanks (russisches Segment)
Das russische Segment (RS) der ISS-das Module wie Zvezda (Servicemodul) und Nauka (Mehrzwecklabormodul) umfasst-Drucksauerstofftanksals Backup. Diese Panzer sind:
Design: Zylindrische Tanks aus Titanlegierung (um hohem Druck und Weltraumstrahlung standzuhalten) mit einem Fassungsvermögen von jeweils ~40 Litern. Sie speichern Sauerstoff als Hochdruckgas (3.000 psi oder 20,7 MPa)-der gleichen Art, die auch in erdbasierten Tauchflaschen verwendet wird, jedoch für den Weltraum modifiziert wurde.
Liefern: Panzer werden über russische Frachtraumschiffe (z. B. Progress) zur ISS geliefert und an den Außenanschlüssen der RS befestigt. Jede Progress-Mission verfügt über 2–3 Tanks, die pro Mission etwa 100–150 kg Sauerstoff liefern (genug, um eine 7-köpfige Besatzung etwa 20–25 Tage lang zu versorgen).
Einsatz: Wenn das OGS ausfällt, öffnet das Lebenserhaltungssystem des RS Ventile, um Sauerstoff aus den Tanks in die Atmosphäre der Station abzugeben. Die Tanks werden auch bei Weltraumspaziergängen (EVA, Extravehicular Activity) zur Sauerstoffversorgung der Raumanzüge der Astronauten eingesetzt.
3.2 Sauerstoffkerzen (chemische Sauerstoffgeneratoren)
In Notsituationen (z. B. ein schwerwiegender OGS-Ausfall verbunden mit einer Verzögerung bei der Frachtnachlieferung) nutzt die ISSSauerstoffkerzen-kompakte Generatoren auf chemischer-Basis, die über eine thermische Reaktion Sauerstoff erzeugen. Diese Kerzen sind:
Zusammensetzung: Jede Kerze ist ein fester Block aus Natriumchlorat (NaClO₃), gemischt mit einem Katalysator (z. B. Eisenpulver) und einem Brennstoff (z. B. Aluminium). Bei der Entzündung zersetzt sich Natriumchlorat bei hohen Temperaturen (500–600 Grad) und erzeugt Sauerstoffgas und Natriumchlorid (Speisesalz).
Kapazität: Eine einzelne Kerze (mit einem Gewicht von ca. 1 kg) produziert ca. 60 Liter Sauerstoff (ausreichend für einen Astronauten für ca. 10 Stunden). Die ISS trägt etwa 100 Kerzen, die in feuerfesten Behältern in jedem Modul (z. B. Zarya, Unity) aufbewahrt werden, um einen einfachen Zugang zu ermöglichen.
Sicherheit: Sauerstoffkerzen sind so konzipiert, dass sie im Weltraum sicher sind. - Sie erzeugen keine offenen Flammen (nur Hitze) und das Nebenprodukt Natriumchlorid ist ungiftig (es wird in einem Filter gesammelt und später bei Frachtmissionen entfernt). Aufgrund ihrer begrenzten Kapazität und der Notwendigkeit einer manuellen Aktivierung werden sie jedoch nur als letztes Mittel eingesetzt.
3.3 Regenerative Lebenserhaltung: Recycling von Sauerstoff aus CO₂
Die ISSUmweltkontroll- und Lebenserhaltungssystem (ECLSS)Enthält eine regenerative Komponente, die Sauerstoff aus CO₂-recycelt und so den Bedarf an neuer Sauerstoffproduktion reduziert. Dies erfolgt über dieBaugruppe zur Kohlendioxidentfernung (CDRA)(US-Segment) und dieVozdukh-System(Russisches Segment):
CDRA (US-Segment): Verwendet einen zweistufigen Prozess namensWasserdesorption fester Amineum CO₂ zu entfernen und Sauerstoff zu erzeugen:
CO₂-Adsorption: Luft von der ISS wird durch ein Bett aus festem Amin (einer chemischen Verbindung, die CO₂ bindet) gepumpt. Das Amin fängt CO₂ ein, während saubere Luft (ohne CO₂) zur Station zurückgeführt wird.
Desorption und Sauerstoffproduktion: Wenn das Aminbett gesättigt ist, wird es erhitzt, um das eingeschlossene CO₂ freizusetzen. Das CO₂ wird dann mit Wasserstoff (aus dem Elektrolyseprozess des OGS) in einem umgesetztSabatier-Reaktor(eine weitere ECLSS-Komponente) zur Produktion von Wasser (H₂O) und Methan (CH₄). Das Wasser wird dann zum OGS geleitet, wo es in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten wird, wodurch ein geschlossener Kreislauf entsteht.
Vozdukh-System (russisches Segment): Verwendet ein ähnliches Verfahren, jedoch mit einer anderen Chemikalie (Lithiumhydroxid, LiOH), um CO₂ zu absorbieren. Im Gegensatz zum CDRA recycelt das Vozdukh-System CO₂ nicht zu Sauerstoff-Stattdessen wird das LiOH verworfen, nachdem es gesättigt ist (es wird durch Frachtmissionen ersetzt). Allerdings ist es einfacher und zuverlässiger als das CDRA, was es zu einem wertvollen Backup macht.
Das regenerative System reduziert den Sauerstoffbedarf der ISS um etwa 40 %-ein entscheidender Effizienzgewinn, der den Bedarf an Nachschubmissionen minimiert. Ohne Recycling würde die Station beispielsweise etwa 9,8 kg Sauerstoff pro Tag für 7 Astronauten benötigen; beim Recycling sinkt dieser Wert auf ~5,88 kg.
4. Sicherstellung der Widerstandsfähigkeit für Notfälle
Zusätzlich zu den Sekundärquellen verfügt die ISS über spezielle Sauerstoffspeichersysteme, um Spitzenbedarf und Notfälle zu bewältigen. Diese Systeme sind für die Speicherung von Sauerstoff in zwei Formen konzipiert: Hochdruckgas und Flüssigkeit.
4.1 Hochdruck-Gasspeicherung (US-Segment)
Das US-SegmentHochdruckgastanks.-befinden sich in den Modulen Node 1 (Unity) und Node 3 (Tranquility). Diese Panzer:
Design: Kugelförmige Tanks aus Inconel (einer korrosions- und hochtemperaturbeständigen Nickel--Legierung) mit einem Fassungsvermögen von jeweils ca. 150 Litern. Sie speichern Sauerstoff bei 6.000 psi (41,4 MPa)-doppelt so viel Druck wie die Tanks des russischen Segments-, sodass mehr Sauerstoff auf kleinerem Raum gespeichert werden kann.
Kapazität: Jeder Tank fasst ca. 100 kg Sauerstoff (ausreichend für 7 Astronauten für ca. 17 Tage). Das US-Segment verfügt über 4 solcher Tanks, die eine Gesamtreserve von ca. 400 kg bieten (ausreichend für ca. 68 Tage).
Anwendungsfall: Diese Tanks dienen zur Ergänzung des OGS bei Spitzenbedarf (z. B. wenn zwei Astronauten auf einem Weltraumspaziergang sind und der Sauerstoffverbrauch um etwa 50 % steigt) und als Backup, wenn das OGS ausfällt. Sie werden auch verwendet, um die Station nach einem Weltraumspaziergang wieder unter Druck zu setzen (da während der EVA etwas Luft verloren geht).
4.2 Lagerung von Flüssigsauerstoff (LOX) (nur für Notfälle)
Für langfristige Notfälle (z. B. ein mehrere Monate andauernder OGS-Ausfall) kann die ISS speichernflüssiger Sauerstoff (LOX)-die gleiche Form, die auch im Raketentreibstoff verwendet wird. LOX wird gespeichert in:
Design: Doppelwandige Tanks mit einer Vakuumisolationsschicht, um den LOX bei -183 Grad (Siedepunkt bei 1 atm) zu halten. Aufgrund des begrenzten Platzes auf der Station sind die Tanks klein (jeweils ca. 50 Liter).
Kapazität: Ein 50-Liter-LOX-Tank fasst etwa 60 kg Sauerstoff (da LOX eine Dichte von 1,141 kg/L hat), genug für 7 Astronauten für etwa 10 Tage. Die ISS verfügt über zwei solcher Tanks mit einer Gesamtkapazität von ca. 120 kg (ausreichend für ca. 20 Tage).
Herausforderungen: Die Lagerung von LOX im Weltraum ist schwierig, da die Temperatur der Station schwankt (von -120 Grad im Schatten bis 120 Grad im Sonnenlicht), was dazu führt, dass etwas LOX verdampft (verdampft). Um das Verdampfen zu minimieren, sind die Tanks mit Heizungen ausgestattet, die die Temperatur regulieren, und mit einem Überdruckventil, das überschüssiges Gas ablässt (das dann aufgefangen und in der Atmosphäre der Station verwendet wird).
5. Sicherstellung einer gleichmäßigen Versorgung über alle Module hinweg
Die ISS ist ein komplexes Netzwerk aus 16 Modulen (Stand 2024), darunter Wohnräume (z. B. Crew Quarters), Labore (z. B. Columbus, Kibo) und Servicemodule (z. B. Zvezda, Nauka). Um sicherzustellen, dass jedes Modul eine konstante Sauerstoffkonzentration von 21 % aufweist, verwendet die Station einezentralisiertes Vertriebssystemmit folgenden Komponenten:
5.1 Luftzirkulationsventilatoren
Jedes Modul hat 4–6Luftzirkulationsventilatorendie Luft mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 Kubikmeter pro Minute bewegen. Diese Fans:
Vermeiden Sie stehende Lufteinschlüsse (die zu einem niedrigen Sauerstoffgehalt in den Ecken des Moduls führen könnten).
Mischen Sie den neu erzeugten Sauerstoff mit der vorhandenen Luft, um die Konzentration von 21 % aufrechtzuerhalten.
Drücken Sie Luft durch die CDRA/Vozdukh-Systeme, um CO₂ und Verunreinigungen zu entfernen.
Die Ventilatoren sind von entscheidender Bedeutung, da die Luft in der Mikrogravitation (Schwerelosigkeit) nicht auf natürliche Weise zirkuliert (wie es auf der Erde aufgrund der Konvektion der Fall ist). Ohne Ventilatoren könnte es bei Astronauten in Gebieten weit entfernt von der Sauerstoffquelle zu Hypoxie kommen.
5.2 Ventile und Rohre
Ein Netzwerk vonEdelstahlrohre(2–4 Zoll im Durchmesser) verbindet das OGS, die Lagertanks und die Module. Jedes Rohr ist ausgestattet mit:
Magnetventile: Elektrisch gesteuerte Ventile, die sich öffnen und schließen, um den Sauerstofffluss zu regulieren. Diese Ventile sind redundant (jedes Rohr verfügt über zwei Ventile), um Lecks zu verhindern.
Drucksensoren: Überwachen Sie den Druck in den Rohren, um sicherzustellen, dass er dem atmosphärischen Druck der Station (101,3 kPa) entspricht. Fällt der Druck ab (z. B. durch ein Leck), lösen die Sensoren einen Alarm aus und schließen die betroffenen Ventile.
Filter: Entfernen Sie Staub und Schmutz vom Sauerstoff, um Schäden an den Lüftern und Lebenserhaltungssystemen zu vermeiden.
5.3 Modul-Spezifische Regulierungsbehörden
Jedes Modul verfügt über eineDruckreglerdas den Sauerstofffluss in das Modul je nach Größe und Belegung anpasst. Zum Beispiel:
Kleine Module (z. B. die Mannschaftsquartiere, die ca. 10 Kubikmeter groß sind) erfordern eine geringere Durchflussrate (ca. 0,1 kg Sauerstoff pro Tag) als große Module (z. B. das Columbus-Labor, das ca. 75 Kubikmeter groß ist und ca. 0,5 kg pro Tag benötigt).
Die Regulierungsbehörden stellen außerdem sicher, dass der Druck des Moduls bei 101,3 kPa bleibt, selbst wenn andere Module erneut unter Druck gesetzt werden (z. B. nach einem Weltraumspaziergang).
