По какой причине в космосе нет воздуха и действительно ли это правда

Для того чтобы дать ответ на вопрос о том, почему в космосе нет воздуха, нужно для начала определить, что такое воздух. Итак, воздух — это не что иное, как молекулы и частицы, плавающие в пространстве. Подробности в статье.

Земля и ее атмосфера

Если говорить о нашей планете Земля, то существует большое количество молекул, атомов, частиц, которые составляют нашу атмосферу. В воздухе по объему имеется около 78,09 % азота, 20,95 % кислорода, 0,04 % диоксида углерода и т. д. На основании плотности молекул на разных уровнях ученые делят атмосферу на пять основных слоев:

1. Тропосфера: от 0 до 12 км над уровнем моря.
2. Стратосфера: от 12 до 50 км.
3. Мезосфера: от 50 до 80 км.
4. Термосфера: от 80 до 700 км.
5. Экзосфера: от 700 до 10 000 км.

Эти слои существуют, потому что гравитация Земли притягивает к себе все молекулы. Собственно, этот факт и объясняет, почему воздух не улетает в космос вместе с атмосферой. Плотность молекул тропосферы высока, потому что это слой, который находится ближе всего к поверхности Земли, а значит, влияние силы тяжести на молекулы очень велико. Однако если мы будем подниматься все выше и выше и таким образом отдаляться от поверхности Земли, эффект гравитации уменьшится со временем, а вместе с этим снизится и плотность воздуха. Поэтому слой экзосферы имеет, по сравнению со слоем тропосферы, крайне низкий процент содержания молекул.

Теперь перейдем непосредственно к вопросу о том, почему в космосе нет воздуха. Собственно, с точки зрения физики и астрономии этот вопрос не на 100 % корректно сформулирован. Дело в том, что воздух присутствует даже в космосе. Единственное замечание — такой воздух не подходит ни для каких живых существ. Также стоит уточнить, что когда мы думаем над вопросом о том, почему в космосе нет воздуха, имеем ли мы в виду под словом «космос» непосредственно пустое пространство или атмосферу других планет?

Действительно ли в космосе нет воздуха?

Так, если мы говорим об атмосфере других планет, то стоит отметить, что каждая планета имеет свою собственную гравитацию. Эта гравитация также зависит от массы планеты, потому что это не что иное, как сила, влияющая на степень искривления пространства-времени. Чем больше масса тела (планеты или звезды), тем выше степень искривления. Это также значит, что чем больше масса тела, тем сильнее гравитация. На других планетах соотношение плотности молекул в различных слоях атмосферы и силы гравитации идентично природе отношений гравитации и атмосферы на планете Земля.

Итак, плотность молекул воздуха будет более высокой у поверхности планеты, а уменьшаться показатель плотности будет при движении вверх. Однако для существования живых организмов на этой планете состав молекул воздуха должен быть сбалансированным, подобно тому, что на Земле.

Но если говорить о пустом пространстве космоса, которое мы называем вакуумом, то следует также сказать, что на самом деле это совсем не вакуум. Потому что даже пустое пространство — это что-то. В нем также имеются молекулы водорода и некоторые другие частицы. Но плотность этих молекул и частиц крайне ничтожна, потому что на них не оказывает сильного влияния гравитационное поле какого-нибудь небесного объекта.

По этой причине мы говорим, что в космосе нет воздуха. Но на самом деле это неправда. В космическом пространстве все же существуют некоторые частицы.

Объяснение для детей: почему в космосе нет воздуха

Представьте себе большую пустую комнату (например, размером с город). Теперь вообразите, что вы оставили в ней муравья. Вероятность того, что вам удастся его найти, равна 1/1000000000. Вселенная — такая же комната, а поскольку газ имеет тенденцию занимать все свободное пространство, молекулы его отдаляются далеко друг от друга — их плотность крайне мала.

Это словно капля чернил в океане — ее не видно, она ни на что не влияет. Стоит отметить, что на самом деле из атмосферы Земли все-таки выходит определенный процент воздуха, который, попадая во вселенную, не оказывает никакого значительного эффекта на космическое пространство.

Итог

В целом космос — это настолько загадочно, что ученые до сих пор не выяснили, какими свойствами он обладает. Физики уверены, что в космическом пространстве даже существуют некоторые частицы, о которых мы еще не знаем. Итак, поскольку воздух состоит из частиц, молекул и т. д., будет неправильно, если мы скажем, что в космосе нет воздуха. Вместо этого мы должны спросить себя о том, какие частицы есть в космосе.

Воздушные компрессоры в открытом космосе

Воздушные компрессоры в космосе являются незаметными участниками каждой миссии. Расскажем немного о том, как космические агентства используют сжатый воздух в космическом пространстве.

Если бы Вы хотели полететь на Луну, Вы бы, вероятно, много думали о жидком топливе в гигантских баках и о большом количестве тяги. Но, если Вы забудете добавить сжатый воздух, то никуда не доберетесь ни безопасно, ни эффективно. Воздушные компрессоры в космосе обеспечивают всех космонавтов воздухом для дыхания от подъема космического корабля,в течение всего пути и до посадки.

Воздушные компрессоры в системах космических кораблей играют важную роль в будущем путешествий, поскольку они позволяют системам быть умнее, эффективнее и легче. В то время как в космической индустрии постоянно внедряются новые технологии, применение сжатого воздуха остается стабильным.

Безмасляные компрессоры в настоящее время используются системой тепловых насосов Международной космической станции, так как они нечувствительны к гравитации. Применением таких компрессоров решается проблема утечек масла, а также проблемы иного характера, присущие маслозаполненным компрессорам.

Космонавты используют сжатый воздух в космическом пространстве для управления подачей воздуха, проведения экспериментов, обеспечения эффективной работы ускорителей, чтобы транспортные средства и космические станции оставались на орбите и поддерживали комфортную температуру для всех находящихся на борту.

Например, жидкости, которые обычно смешиваются и легко сочетаются на Земле, в космосе разбиваются на отдельные шарики жидкости каждого вида. Без гравитации Земли разделение этих жидкостей может представлять опасность и вызывать сбои в работе традиционного теплового насоса или зависящих от жидкости воздушных компрессоров в космосе. Достижения в области технологий тепловых насосов привели к созданию блоков с низким энергопотреблением и чрезвычайно высокой эффективностью, что делает их идеальными для различных систем космических станций.

Воздушные и газовые компрессоры нашли свое применение в космосе, потому что они предлагают долгий срок службы и надежное использование в течение многих лет, особенно по сравнению с тепловыми насосами, которым требуется жидкость для охлаждения. Системы на основе жидкостей имеют такие проблемы, как кавитация, но их использование в космосе представляет большой риск в космосе.

Использование сжатого воздуха в ракетных двигателях

Сжатый воздух играет большую роль в том, чтобы ракеты исправно достигали скоростей не менее 8 км/сек для преодоления силы земного притяжения и вывода космических аппаратов на орбиту Земли.

Сегодня турбинные двигатели приводят в действие подавляющее большинство самолетов военного и частного назначения. В каждой турбине есть воздушный компрессор, который увеличивает давление воздуха, прежде чем он попадет в камеру сгорания. Чем лучше работает воздушный компрессор, тем выше производительность двигателя, особенно в момент сгорания топлива. В двигателях ракет в качестве насосов применяются центробежные компрессоры. Многие двигатели, от турбореактивных до форсажных, будут использовать сжатый воздух, чтобы качественно воспламенить топливо.

Ракетные двигатели и сжатый воздух

В топливных баках ракет хранится значительное количество жидкого водорода и кислорода. С помощью системы насосов и клапанов обе эти сжатые жидкости выталкиваются в камеру сгорания, где смесь воспламеняется и служит для приведения ракеты в движение.

По сути, воздушный компрессор является незаметным компонентом, который обеспечивает смешивание топлива с правильной скоростью и его перемещение в камеру сгорания, поэтому ракетный двигатель создает тягу, необходимую для выхода в космическое пространство.

Двигатели шаттла NASA

Космические челноки NASA используют три главных двигателя вместе с твердотопливным ракетным ускорителем для создания ускорения, необходимого для вывода космического челнока и других транспортных средств в космическое пространство. Основные двигатели космического челнока сгорают во время старта и могут работать до 8,5 минут после запуска, что является типичной продолжительностью полета для космического челнока.

Для всех челночных двигателей требуются мощные воздушные компрессоры — центробежные компрессоры — для подачи сжатого воздуха в жидкое топливо с целью зажигания и контролируемого ускорения.

Когда челнок взлетает, он ускоряется, сжигая жидкий водород, который хранится при температуре минус 252,8 градуса по Цельсию, а также жидкий кислород. Воздушные компрессоры необходимы для бесперебойной работы. В гигантском оранжевом баке содержится примерно 2 миллиона литров этих жидкостей. Температура в камере сгорания основного двигателя поднимется до более чем 3315,6 градусов по Цельсию.

Шаттл будет сжигать жидкого топлива, количество которого достаточно, чтобы наполнить стандартный бассейн за 25 секунд. Во время этого ускорения турбины вращаются примерно в 13 раз быстрее, чем в Вашем автомобиле при езде по шоссе. Это означает, что центробежные компрессоры должны работать сверхэффективно, чтобы все работало надежно. Обеспечение ракеты сжатым воздухом сводится не только к тому, чтобы оторваться от земли, но и к поддержке систем жизнеобеспечения при подъеме в космос.

Центробежные компрессоры

Центробежные компрессоры используются во многих отраслях промышленности, в том числе в аэрокосмической отрасли, поскольку они имеют меньше частей, которые соприкасаются друг с другом, а также обеспечивают высокую энергоэффективность и значительно больший поток воздуха по сравнению с другими компрессорами того же размера.

Центробежные компрессоры работают, втягивая воздух в центр через вращающееся рабочее колесо. Радиальные лопасти вращаются и подают воздух, используя центробежную силу, повышая давление, а также создают кинетическую энергию. Как правило, эти типы воздушных компрессоров будут работать со сверхскоростными электродвигателями, которые приводят в движение рабочие колеса. Компрессору такого типа не потребуется много места или системы смазки на масляной основе.

Воздух для дыхания в космосе

Для дыхания в космосе, независимо от того, находитесь ли Вы на космической станции или в транспортном средстве, таком как челнок, требуется сжатый воздух различных типов и составов.

Атмосфера Земли состоит из 78% азота, 21% кислорода и 1% других газов при давлении в одну атмосферу. Космические аппараты перевозят жидкий кислород и жидкий азот в резервуарах под давлением, которое регулируется воздушным компрессором. Компрессоры также могут помочь поддерживать откачку этих газов из их резервуаров. На орбите космический челнок будет использовать только одну кислородно-азотную систему. Тем не менее, при взлете обе системы будут использоваться для поддержания максимальной работоспособности всех компонентов на борту.

Воздух, который циркулирует по космической станции, будет иметь несколько элементов, которые распространены в воздушных компрессорах и промышленных решениях для воздуха — особенно в системах очистки воздуха, которые мы часто видим в сочетании с компрессорами, используемыми при очистке сточных вод. Эти элементы включают в себя:

• Теплообменники, которые распространены из-за экстремальных колебаний температуры на космических аппаратах. Они также являются основным элементом, используемым для сбора воды из воздуха, после чего воздух рециркулирует и вода поступает в специальный контейнер. В космосе при выдохе образуются пары воды, которые необходимо собирать, чтобы избежать повреждения оборудования!
• Баллоны с диоксидом углерода, которые удаляют углекислый газ из воздуха. Они работают, позволяя воздуху взаимодействовать с гидроксидом лития. Компрессионные системы могут использоваться для перемещения этого воздуха через гидроксид лития в чрезвычайных ситуациях, когда существуют проблемы с качеством воздуха или когда определенные части станции отключены для ремонта.
• Фильтры и канистры с активированным углем, которые используются для удаления запахов и мелких твердых частиц, а также для очистки воздуха после экспериментов. Это особенно важно при работе с летучими химическими веществами и при дегазации.

Что дальше?

В конце 2014 года NASA спроектировала новый тип баллона для сжатого воздуха и газов, который обеспечит высококачественный воздух для космонавтов на Международной космической станции.

Новая система представляет собой систему перезарядки азота и кислорода с резервуарами, которые предлагают взаимозаменяемое использование на космической станции. Резервуары и их приспособления предназначены для работы с существующей сетью подачи воздуха на МКС, но при необходимости могут использоваться и в специальных индивидуальных условиях.

Первоначально эти резервуары будут использоваться для замены и пополнения существующего воздуха. Работая с первоклассным воздушным компрессором, эти новые резервуары могут хранить воздух под давлением до 400 бар, что более чем вдвое превышает нагрузку предыдущего набора резервуаров. Это означает, что в каждом танке доступно намного больше воздуха, что сокращает количество случаев, когда грузовые корабли должны подавать воздух для пополнения запасов воздуха МКС. Одна интересная вещь заключается в том, что эти резервуары становятся чрезвычайно горячими при их заправке на Земле, и их нужно оставить на стенде на целый день, чтобы дать им остыть. Новые резервуары будут использоваться в системе охлаждения на основе аммиака МКС, а также в ряде других экспериментальных космических систем.

Возможно, в ближайшее время Вы не отправитесь в космос, но мы уверены, что и для Вас воздушные компрессоры могут сделать много полезных вещей.  Мы поможем вам определить области, в которых Вы могли бы сэкономить время и деньги с помощью воздушного компрессора, подобрать винтовой компрессор, который Вам нужен, расскажем, как безопасно эксплуатировать Ваш воздушный компрессор.

Журнал Air & Space | Смитсоновский журнал

Лучшие фотографии НАСА всех времен

50 неизгладимых снимков первых 50 лет космических полетов

Последний полет вымогательства 17

Черные туфли и коричневые туфли: за кабиной авианосца

Исчезнувший 727-й

10 лучших пилотов всех времен

Последние новости

Российский самолет, который сражается за обе стороны

Что говорят пилоты ВВС Украины о своих стареющих Су-27.

Октябрь 2020

Самый продолжительный коммерческий рейс Qantas Airways

Путешествие по маршруту из Аргентины в Австралию.

Декабрь 2021

Морские пехотинцы США на японском авианосце

Испытания F-35B представляют собой первую посадку американского самолета на японский авианосец со времен Второй мировой войны.

Декабрь 2021

Что история первых полетов может рассказать нам о будущем космических путешествий

Исполняющий обязанности директора Смитсоновского национального музея авиации и космонавтики в новой галерее «Ранние полеты»

Декабрь 2021

Скайхок Возвращение домой

Папа хотел произвести впечатление и дорого заплатил за эту привилегию.

Декабрь 2021

Лунный кратер Спудис

Лунная достопримечательность получила новое название в честь выдающегося ученого.

Декабрь 2021

Самый уродливый самолет: оценка

Transavia AirTruk некрасив, но у него есть цель.

Декабрь 2021

Прощание с великаном

Airbus изо всех сил пытался изобрести самый большой авиалайнер в мире. В конце концов, зверя убило не технология, а время.

Декабрь 2021

Революция в исследовании Луны

Новые роботы на Луне

В 1960-х лунная гонка была войной. На этот раз это коммерция.

Декабрь 2021

Защитите

Intrepid

Он пережил две войны, но теперь столкнулся с другой серьезной угрозой: окружающей средой Нью-Йорка.

Декабрь 2021

Они не смогли остановить Амелию Эрхарт

Попытка знаменитой американки совершить кругосветное путешествие была почти сорвана британскими властями.

Декабрь 2021

Новая галерея в честь первооткрывателей полетов

В первое десятилетие полетов задачи и возможности были безграничны.

Декабрь 2021

Квартет Кондоров

Операция Лам Сон 719 изменила их. Затем они ждали, пока мир догонит их.

Декабрь 2021

Marsliner

Гигантский звездолет Илона Маска оставит мир позади.

Декабрь 2021

Терпеливый астронавт

Брюс МакКэндлесс почти два десятилетия ждал своего первого космического полета.

Декабрь 2021

Воздушное такси прибыло в Смитсоновский институт

Компания, подарившая нам первый сверхзвуковой самолет и V-22 Osprey, представляет нечто новое.

15 ноября 2021 г.

Лучшие винтажные самолеты 2021 года

Победители конкурса National Aviation Heritage Invitational.

15 ноября 2021 г.

Flying Colors

Как они выбирают схему окраски вашего самолета и другие хитрости оформления пассажирского салона.

15 ноября 2021 г.

Лучшие детские книги 2021 года

Лучшие детские книги на авиационную и космическую тематику.

11 ноября 2021 г.

Черные туфли и коричневые туфли: За кабиной авианосца

В плавучем городе с населением в несколько тысяч человек помимо полетов на самолетах есть чем заняться.

10 ноября 2021 г.

Фото дня

Хэппи Мил

Руководство для преподавателей: воздух наверху: сделать космос пригодным для дыхания

Обзор

В этом упражнении учащиеся:

• Разработайте систему рециркуляции воздуха, способную улавливать искусственный углекислый газ, чтобы астронавты могли безопасно дышать на Международной космической станции или в будущей миссии на Марс.
• Соберите и испытайте фильтр, способный «вычищать» углекислый газ из атмосферы, пропуская при этом воздух.
• Рассчитать эффективность фильтра.
• Используйте стехиометрию, чтобы определить, сколько фильтров необходимо для продолжительной пилотируемой космической миссии.

Материалы

2-3 Индексные карты

лента

Ножницы

Вашаловые шарики

Пафическая бумага

Учители труб

Масштаб

Черный перец, порошок какао или еще небольшие частицы

1-2 Обувь для класса

, кокао

Фен или персональный вентилятор (источник воздушного потока)

Рабочий лист для учащихся – скачать в формате PDF

Руководство для инструктора – скачать в формате PDF0005

• Вырежьте отверстие в одном конце коробки, через которое будет поступать воздух от фена или вентилятора.
• На противоположном конце вырежьте большую часть и прикрепите к отверстию кусок папиросной бумаги, чтобы продемонстрировать успешный поток воздуха.
• Приготовление одной или двух таких коробок позволяет учащимся тестировать свои фильтры, когда они будут готовы, и сокращает потребность в ресурсах.

Испытательное устройство может быть изготовлено заранее, как показано здесь.

Подчеркните, что, хотя эта деятельность демонстрирует физическое разделение химических веществ, устройства для углекислого газа на борту космического корабля на самом деле являются химическими фильтрами.

Предыстория

Независимо от того, находятся ли они на борту Международной космической станции или в будущей миссии на Марс, астронавтам требуются системы, которые могут создавать пригодный для дыхания воздух из сурового окружения. И химия играет важную роль:

В настоящее время Международная космическая станция использует абсорбционный метод для удаления углекислого газа (CO ₂ ) из воздуха. Поглощение осуществляется в результате химической реакции с использованием сорбента, называемого гидроксидом лития (LiOH). Этот метод основан на экзотермической реакции гидроксида лития с диоксидом углерода с образованием карбоната лития (Li ₂ CO ₃ )(s) и вода (H ₂ O). Гидроксид лития является привлекательным выбором для космических полетов из-за его высокой способности поглощать углекислый газ и небольшого количества тепла, выделяемого в результате реакции.

На этой диаграмме показано взаимодействие между различными системами жизнеобеспечения на Международной космической станции, включая систему фильтрации воздуха, удаляющую из воздуха токсичный углекислый газ. Изображение предоставлено: NASA

Но когда дело доходит до будущей миссии человека на Марс, все становится немного сложнее. На МКС, когда израсходуются фильтрующие канистры, мы можем отправить больше на ракетах снабжения. Но на Марсе мы не можем легко пополнить запасы LiOH. Это означает, что нам нужна технология, способная производить пригодный для дыхания воздух в течение более длительного периода времени.

Один из методов, рассматриваемых для Марса, заключается в использовании химии и катализа для преобразования жесткой и непригодной для дыхания атмосферы Красной планеты из углекислого газа непосредственно в кислород. Чтобы проверить эту технику, НАСА отправит небольшой прибор под названием Mars Oxygen In Situ Resource Utilization Experiment, или MOxIE, на Красную планету в 2020 году на борту марсохода Mars 2020. К 2030-м годам, возможно, НАСА отправит на Марс увеличенную версию MOxIE и позволит системе запуститься и создать безопасную обитаемую зону еще до прибытия астронавтов. В случае успеха этот метод позволит нам использовать обильные ресурсы на Марсе для создания пригодной для дыхания среды для астронавтов.

На этой диаграмме показаны различные части MOXIE, небольшого прибора, предназначенного для преобразования марсианской атмосферы из углекислого газа в пригодный для дыхания воздух для будущих астронавтов. Прибор отправят на Красную планету на борту марсохода Mars 2020. Изображение предоставлено: NASA/JPL-Caltech

Процедуры

В этом задании НАСА поручило классу разработать устройство для переработки углекислого газа в кислород. Это позволит группе астронавтов, направляющихся на Марс, выжить в атмосфере, которая иначе была бы негостеприимной. Устройство, созданное студентами-инженерами, должно быть в состоянии улавливать смоделированные токсичные молекулы углекислого газа, представленные перцем, какао-порошком и т. д., позволяя воздуху проходить на другую сторону устройства.

1. Разделите учащихся на команды по три-четыре человека и предложите им задание: используйте имеющиеся материалы для создания картриджа фильтра, способного улавливать искусственный токсичный углекислый газ (представленный перцем, какао-порошком или другими твердыми частицами).
2. Предоставьте командам список материалов, доступных для изготовления фильтрующих картриджей. Каталожные карточки или очистители для труб можно использовать для создания периметра или крепления фильтра, а другие материалы можно использовать для улавливания химических загрязнителей.
3. Проинструктируйте бригады о том, что их фильтрующие картриджи:

• Должны помещаться в обувной коробке.
• Не может полностью препятствовать потоку воздуха.
• Должен быть построен только из предоставленных материалов.
• Можно протестировать несколько раз перед окончательным внедрением.

Как работали фильтры? Обсудите, сколько углекислого газа улавливают бригады для переработки и насколько хорошо они поддерживают поток воздуха. Насколько это хорошо для наших астронавтов с точки зрения количества и скорости реакции от CO ₂ до O ₂ ?

Обсуждение

• Что сделали группы для создания эффективного фильтра? Какие изменения могли быть внесены?
• Чем эти методы физической фильтрации отличаются от методов химической фильтрации, используемых в космосе?

Оценка

Предложите учащимся ответить на следующие вопросы из Рабочего листа для учащихся. (Проверьте их ответы в Руководстве для инструктора.):

На Международной космической станции устройство, называемое картриджем для контроля загрязнений, которое содержит гидроксид лития (LiOH), удаляет углекислый газ (CO2) из ​​воздуха. Этот процесс представлен следующим уравнением:

2 LiOH(т) + CO ₂ (г) → Li ₂ CO ₃ (т) + H ₂ O(г)

1. Используя массу углекислого газа, захваченного вашим фильтром, определите, сколько гидроксида лития потребуется каждому из ваших фильтрующих картриджей для эффективного производства кислорода.
2. Типичная бригада состоит из шести человек, и каждый картридж контроля загрязнений содержит 750 г LiOH. Если предположить, что каждый член экипажа выбрасывает в среднем 42,0 г CO ₂ в час и что полет рассчитан на 18 дней, сколько патронов необходимо иметь на борту станции?

На Марсе устройство под названием Mars Oxygen ISRU Experiment, или MOxIE, могло преобразовывать токсичную атмосферу углекислого газа в кислород и выпускать угарный газ, чтобы обеспечить пригодную для дыхания атмосферу для астронавтов по прибытии. Составьте приведенное ниже уравнение и ответьте на следующие вопросы:

CO ₂ (г) → O ₂ (г) + CO (г)

1. Сколько граммов кислорода будет произведено из 1 кг углекислого газа? Сколько граммов угарного газа?
2. В настоящее время MOXIE способен производить кислород со скоростью 12 г в час. Если астронавтам требуется 30 кг кислорода в месяц, сколько дней MOXIE должен работать, чтобы обеспечить месячный запас кислорода?
3. Побочный продукт MOXIE, угарный газ, также очень ядовит. Обсудите со своей группой, как вы могли бы спроектировать систему, обеспечивающую безопасное обращение с угарным газом вдали от космонавтов.

Удлинители

Еще одна проблема стехиометрии, с которой сталкиваются астронавты во время длительных полетов, — потеря плотности костей. На Земле мы теряем примерно 1% костной массы (карбонат кальция) каждый год, а астронавты теряют 1-2% каждый месяц! Одна из теорий заключается в том, что это происходит из-за накопления серной кислоты в нашей крови, поступающей с аминокислотами, полученными из животного белка.

1. Напишите полное сбалансированное уравнение реакции между серной кислотой и карбонатом кальция с образованием сульфата кальция, диоксида углерода и воды.
2. Находясь в космосе, космонавт теряет около 200 мг карбоната кальция в день.