Можно ли сделать дистикомб, как в «Дюне»?
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».
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.
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:
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.
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:
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.
Таким образом, современные системы регенерации воды на космических станциях способны работать без ремонта по нескольку лет, но имеют массу от нескольких сотен до нескольких тысяч килограмм, требуют применения сменных элементов и тратят сотни ватт на человека в сутки. При этом массо-габаритные характеристики таких систем слабо зависят от количества собираемой воды.
Каким же может быть костюм фремена при современном уровне технологии?
Допустим, дистикомб — это нечто вроде космического скафандра, который собирает влагу из чего только можно и обеспечивает при этом теплоотвод в атмосферу. Как уже писалось выше, без потерь выбрать всю воду из воздуха нельзя, поэтому для удовлетворения питьевых нужд, скорее всего, придется пойти на переработку метаболитов, причем всех — и выдыхаемого воздуха, и пота, и урины, и фекалий (не факт, что при этом можно будет обойтись без добавки воды из запасов).
Тем не менее, даже если предположить, что сам костюм не весит ничего, термохимические реакторы, конденсатор, теплообменник, поглотители, фильтры, трубопроводы, а также компрессоры и насосы занимают определенный объем и весят десятки килограмм, если смотреть на реально используемые сегодня технологии, без оглядки на инновационные прототипы. Кроме того, для привода всей этой машинерии нужны будут электромоторы с источниками электроэнергии, а также электронная система управления (которую по современным меркам можно сделать исключительно компактной).
Тепловыделение организма человека зависит от интенсивности работы и свойств окружающей среды (главным образом, температуры и влажности воздуха), но в среднем оказывается чуть больше, чем у лампы накаливания — 10500 килоджоулей в сутки или 122 джоуля в секунду. Это тепло надо сбрасывать, например, как говорилось выше, обдувая тело прохладным воздухом с помощью вентилятора.
Мощность системы вентиляции составит как минимум 10-12 ватт, системы регенерации воды — как минимум в пять раз больше. Поскольку речь идет о передвижении по пустыне, на работу нашего дистикомба потребуются автономные источники энергии. Современные аккумуляторы (например, литий-ионные) имеют плотность энергии 110-230 ватт-часов на килограмм. Для суточного электропитания дистикомба мощностью в 60-100 ватт потребуется аккумулятор емкостью около 1500-2500 ватт-часов и массой 7–23, а с запасом - 10-25 килограмм.
Допустим, 20-30 килограмм весит система регенерации воды и обеспечения теплового режима плюс 10-25 килограмм — аккумуляторы. Условно всё это можно спрятать в рюкзак, но автономность такого дистикомба не превысит суток. Поскольку воздух «Дюны» пригоден для работы двигателей внутреннего сгорания или турбины, массу источников энергии можно уменьшить в 2-5 раз, заменив аккумуляторы мотогенератором или топливными элементами с запасом горючего, увеличив автономность. Но все равно — получается многовато для пешего человека.
То есть это явно не дистикомб из иллюстраций к «Дюне» — скорее всего, нечто типа легкого скафандра с наспинным ранцем или небольшой тележкой, где размещено оборудование. Ну а поскольку тележку по песку возить вручную тяжело, ее придется оснастить моторчиком, и костюм плавно превратится в некое подобие одноместного квадроцикла.
После выпуска в третьем абзаце с конца были исправлены единицы энергии — правильно «ватт-часы» (не «ватты»). Приносим извинения читателям.