A Estação Espacial Internacional (ISS),-um satélite artificial habitável que orbita a Terra a uma altitude de aproximadamente 400 quilômetros-depende de um sofisticado sistema-de oxigênio em circuito fechado para sustentar sua tripulação de 7 astronautas (capacidade máxima) durante meses seguidos. Ao contrário da Terra, onde o oxigênio é abundante na atmosfera, o espaço é um vácuo sem nenhuma fonte natural de oxigênio. Isso significa que a ISS deve produzir, armazenar, distribuir e reciclar oxigênio inteiramente-a bordo, ao mesmo tempo que gerencia gases residuais como dióxido de carbono (CO₂). O projeto do sistema prioriza a confiabilidade (para evitar falhas-que ameaçam a vida), a eficiência (para minimizar as missões de reabastecimento) e a adaptabilidade (para lidar com mudanças no tamanho da tripulação e mau funcionamento dos equipamentos). Abaixo está uma análise abrangente do sistema de oxigênio da ISS, incluindo seus componentes principais, princípios de funcionamento, desafios e protocolos de backup.
1. Sustentando uma atmosfera habitável
Antes de entrar em detalhes técnicos, é fundamental compreender o objetivo principal do sistema de oxigénio da ISS: manter uma atmosfera que imite a da Terra o mais próximo possível. Para a sobrevivência humana, a ISS exige:
Concentração de oxigênio: 21% (o mesmo que a atmosfera da Terra), que é o nível ideal para a respiração e para evitar hipóxia (baixo oxigênio) ou toxicidade do oxigênio (alto oxigênio).
Pressão: 101,3 quilopascais (kPa) ou 1 atmosfera (atm)-equivalente à pressão-do nível do mar na Terra. Isto evita a doença descompressiva (um risco quando a pressão cai muito) e permite que os astronautas respirem normalmente sem equipamento especializado (exceto durante caminhadas espaciais).
Limpeza de gás: Remoção de gases residuais como CO₂ (produzido pela respiração) e vestígios de contaminantes (por exemplo, compostos orgânicos voláteis de equipamentos ou alimentos).
Para conseguir isso, o sistema de oxigênio da ISS funciona como umcircuito sem-fechado-ela produz oxigênio novo, recicla oxigênio de fluxos de resíduos, armazena oxigênio em excesso para emergências e o distribui uniformemente pelos módulos da estação.
2. O Sistema de Geração de Oxigênio (OGS)
A principal fonte de oxigênio da ISS é oSistema de Geração de Oxigênio (OGS), uma configuração modular desenvolvida pela NASA e pela Roscosmos da Rússia (com contribuições da Agência Espacial Europeia, ESA, e da Agência de Exploração Aeroespacial do Japão, JAXA). O OGS usaeletrólise-o mesmo processo químico usado em alguns-geradores de oxigênio baseados na Terra-para dividir a água (H₂O) em oxigênio (O₂) e hidrogênio (H₂). Aqui está uma análise detalhada de seus componentes e operação:
2.1 Componentes do OGS
O OGS consiste em três subsistemas principais, cada um com hardware especializado:
Conjunto de Processamento de Água (WPA): Antes da eletrólise, a água deve ser purificada para remover contaminantes (por exemplo, sais, matéria orgânica) que possam danificar os eletrodos do OGS. A WPA coleta água de três fontes:
Água Reciclada: Condensados do ar da estação (vapor d’água proveniente da respiração e da transpiração), águas residuais tratadas (por exemplo, de pias, chuveiros) e urina (processada pela Unidade de Processamento de Urina – UPA).
Reabastecimento de Água: Água entregue através de naves espaciais de carga (por exemplo, Dragon da SpaceX, Cygnus da Northrop Grumman) como reserva para quando os sistemas de reciclagem falharem.
Água de célula de combustível: Um subproduto das antigas células de combustível da estação (usadas para gerar eletricidade antes da instalação dos painéis solares). Embora as células de combustível não sejam mais fontes primárias de energia, sua água residual ainda é usada, se disponível.
Módulo de Eletrólise (EM): O coração do OGS, o EM contém doisCélulas de Eletrólise de Óxido Sólido (SOECs)-dispositivos avançados que usam altas temperaturas (600–800 graus) para dividir a água em oxigênio e hidrogênio. Ao contrário dos sistemas de eletrólise tradicionais (que utilizam eletrólitos líquidos), os SOECs utilizam um eletrólito cerâmico sólido que é mais eficiente, compacto e durável no espaço. Veja como funciona o processo:
A água purificada é alimentada nos SOECs como vapor (vaporizado para aumentar a eficiência).
Uma corrente elétrica (dos painéis solares da ISS) é aplicada aos eletrodos dos SOECs (ânodo e cátodo).
No ânodo, o vapor reage com o eletrólito cerâmico para produzir gás oxigênio (O₂), elétrons e íons hidrogênio (H⁺).
Os elétrons fluem através de um circuito externo (gerando uma pequena quantidade de eletricidade adicional), enquanto os íons de hidrogênio se movem através do eletrólito até o cátodo.
No cátodo, os íons de hidrogênio se combinam com os elétrons para formar gás hidrogênio (H₂).
Subsistema de Manuseio de Oxigênio (OHS): Após a produção, o oxigênio do EM é processado e distribuído:
Resfriamento: O gás oxigênio quente (dos SOECs) é resfriado à temperatura ambiente por meio de trocadores de calor (conectados ao sistema de controle térmico da ISS).
Secagem: Qualquer vapor de água restante é removido usando peneiras moleculares (semelhantes às dos concentradores de oxigênio-baseados na Terra) para evitar a condensação nas tubulações da estação.
Distribuição: O oxigênio puro e seco (99,999% de pureza) é enviado para a atmosfera da ISS por meio de uma rede de válvulas e tubulações, misturando-se com o ar existente para manter a concentração de 21%.
Ventilação de hidrogênio: O subproduto do hidrogênio não é usado pela ISS (uma vez que a estação funciona com energia solar, e não com células de combustível de hidrogênio) e é liberado para o espaço. Esta é uma diferença fundamental em relação às primeiras estações espaciais como a Mir, que usava hidrogénio para gerar eletricidade.
2.2 Eficiência e Capacidade do OGS
O OGS foi projetado para atender à demanda diária de oxigênio da ISS, que é de aproximadamente 0,84 quilogramas (kg) por astronauta (equivalente a aproximadamente 588 litros de oxigênio gasoso a 1 atm). Para uma tripulação de 7 pessoas, isso totaliza aproximadamente 5,88 kg de oxigênio por dia. As principais métricas de desempenho do OGS incluem:
Taxa de produção: Cada SOEC pode produzir aproximadamente 0,5 kg de oxigênio por dia, então os dois SOEC juntos geram aproximadamente 1 kg por dia. No entanto, o sistema é operado em modo escalonado (um SOEC ativo e outro em espera) para reduzir o desgaste, resultando em uma produção líquida de aproximadamente 0,5 kg por dia. Isso significa que o OGS sozinho não pode atender a demanda total da tripulação-daí a necessidade de fontes adicionais de oxigênio (consulte a Seção 3).
Eficiência Energética: SOECs são altamente eficientes, convertendo aproximadamente 80% da energia elétrica em oxigênio (em comparação com aproximadamente 60% dos sistemas de eletrólise tradicionais). Isto é crítico porque os painéis solares da ISS têm capacidade limitada (~120 quilowatts, kW, de potência para todos os sistemas).
Confiabilidade: O OGS tem uma vida útil projetada de 15 anos (prorrogada dos 10 anos originais) e inclui componentes redundantes (por exemplo, SOECs de backup, válvulas) para evitar falhas. Desde a sua instalação em 2008 (como parte do módulo Nó 3 da ISS, Tranquility), o OGS teve apenas pequenos problemas (por exemplo, filtros de água entupidos) que foram resolvidos através de resolução de problemas remota.
3. Sistemas de Backup e Suplementares
Embora o OGS seja a principal fonte de oxigênio, a ISS depende de três sistemas secundários para garantir um fornecimento contínuo-crítico para quando o OGS apresenta mau funcionamento ou durante picos de demanda (por exemplo, quando o tamanho da tripulação aumenta temporariamente).
3.1 Tanques de oxigênio pressurizado (segmento russo)
O Segmento Russo (RS) da ISS,-que inclui módulos como Zvezda (Módulo de Serviço) e Nauka (Módulo de Laboratório Multiuso),-usatanques de oxigênio pressurizadoscomo backup. Esses tanques são:
Projeto: Tanques cilíndricos feitos de liga de titânio (para suportar alta pressão e radiação espacial) com capacidade de ~40 litros cada. Eles armazenam oxigênio como um gás de alta-pressão (3.000 psi ou 20,7 MPa)-o mesmo tipo usado em tanques de mergulho-na Terra, mas modificado para o espaço.
Fornecer: Os tanques são entregues à ISS através de espaçonaves de carga russas (por exemplo, Progress) e anexados aos portos externos do RS. Cada missão Progress carrega 2–3 tanques, fornecendo aproximadamente 100–150 kg de oxigênio por missão (o suficiente para sustentar uma tripulação de 7 pessoas por aproximadamente 20–25 dias).
Implantação: Quando o OGS falha, o sistema de suporte de vida do RS abre válvulas para liberar oxigênio dos tanques para a atmosfera da estação. Os tanques também são usados durante caminhadas espaciais (EVA, Extravehicular Activity) para fornecer oxigênio aos trajes espaciais dos astronautas.
3.2 Velas de oxigênio (geradores químicos de oxigênio)
Para situações de emergência (por exemplo, uma falha grave do OGS combinada com um atraso no reabastecimento de carga), a ISS utilizavelas de oxigênioGeradores -compactos e químicos-que produzem oxigênio por meio de uma reação térmica. Essas velas são:
Composição: Cada vela é um bloco sólido de clorato de sódio (NaClO₃) misturado com um catalisador (por exemplo, pó de ferro) e um combustível (por exemplo, alumínio). Quando inflamado, o clorato de sódio se decompõe em altas temperaturas (500–600 graus) para produzir gás oxigênio e cloreto de sódio (sal de cozinha).
Capacidade: Uma única vela (pesando ~1 kg) produz ~60 litros de oxigênio (suficiente para um astronauta por ~10 horas). A ISS carrega cerca de 100 velas, armazenadas em recipientes à prova de fogo em cada módulo (por exemplo, Zarya, Unity) para fácil acesso.
Segurança: As velas de oxigênio são projetadas para serem seguras no espaço-elas não produzem chamas abertas (apenas calor) e o subproduto cloreto de sódio não é-tóxico (ele é coletado em um filtro e posteriormente removido durante missões de carga). No entanto, são utilizados apenas como último recurso devido à sua capacidade limitada e à necessidade de ativação manual.
3.3 Suporte Regenerativo de Vida: Reciclagem de Oxigênio do CO₂
A ISSSistema de Controle Ambiental e Suporte à Vida (ECLSS)inclui um componente regenerativo que recicla o oxigênio do CO₂-reduzindo a necessidade de nova produção de oxigênio. Isto é feito através doConjunto de remoção de dióxido de carbono (CDRA)(segmento dos EUA) e oSistema Vozdukh(Segmento Russo):
CDRA (segmento dos EUA): usa um processo de duas-etapas chamadodessorção de água de amina sólidapara remover CO₂ e produzir oxigênio:
Adsorção de CO₂: O ar da ISS é bombeado através de um leito de amina sólida (um composto químico que se liga ao CO₂). A amina retém CO₂, enquanto o ar limpo (sem CO₂) é devolvido à estação.
Dessorção e produção de oxigênio: Quando o leito de amina está saturado, ele é aquecido para liberar o CO₂ retido. O CO₂ reage então com hidrogênio (do processo de eletrólise do OGS) em umReator Sabatier(outro componente do ECLSS) para produzir água (H₂O) e metano (CH₄). A água é então enviada ao OGS para ser dividida em oxigênio e hidrogênio, criando um circuito fechado.
Sistema Vozdukh (segmento russo): Usa um processo semelhante, mas com um produto químico diferente (hidróxido de lítio, LiOH) para absorver CO₂. Ao contrário do CDRA, o Sistema Vozdukh não recicla CO₂ em oxigênio-em vez disso, o LiOH é descartado depois de ficar saturado (é substituído por meio de missões de carga). No entanto, é mais simples e confiável que o CDRA, o que o torna um backup valioso.
O sistema regenerativo reduz a demanda de oxigênio da ISS em aproximadamente 40%-um ganho de eficiência crítico que minimiza a necessidade de missões de reabastecimento. Por exemplo, sem reciclagem, a estação precisaria de aproximadamente 9,8 kg de oxigênio por dia para 7 astronautas; com a reciclagem, esse número cai para ~5,88 kg.
4. Garantindo resiliência em emergências
Além das fontes secundárias, a ISS possui sistemas dedicados de armazenamento de oxigênio para lidar com picos de demanda e emergências. Esses sistemas são projetados para armazenar oxigênio em duas formas: gás e líquido de alta-pressão.
4.1 Armazenamento de gás-de alta pressão (segmento dos EUA)
O segmento dos EUATanques de gás de alta-pressãoestão localizados nos módulos Nó 1 (Unity) e Nó 3 (Tranquility). Esses tanques:
Projeto: Tanques esféricos feitos de Inconel (uma liga de níquel-cromo resistente à corrosão e altas temperaturas) com capacidade de aproximadamente 150 litros cada. Eles armazenam oxigênio a 6.000 psi (41,4 MPa)-duas vezes a pressão dos tanques do Segmento Russo-permitindo que mais oxigênio seja armazenado em um espaço menor.
Capacidade: Cada tanque contém aproximadamente 100 kg de oxigênio (suficiente para 7 astronautas por aproximadamente 17 dias). O segmento dos EUA possui 4 desses tanques, fornecendo um backup total de aproximadamente 400 kg (suficiente para aproximadamente 68 dias).
Caso de uso: Esses tanques são usados para complementar o OGS durante o pico de demanda (por exemplo, quando dois astronautas estão em uma caminhada espacial, aumentando o consumo de oxigênio em aproximadamente 50%) e como reserva se o OGS falhar. Eles também são usados para repressurizar a estação após uma caminhada espacial (já que algum ar é perdido durante o EVA).
4.2 Armazenamento de oxigênio líquido (LOX) (somente emergência)
Para emergências de longo-prazo (por exemplo, falha no OGS com duração de meses-), a ISS pode armazenaroxigênio líquido (LOX)-a mesma forma usada no combustível de foguete. LOX é armazenado em:
Projeto: Tanques-de paredes duplas com uma camada de isolamento a vácuo para manter o LOX a -183 graus (seu ponto de ebulição é 1 atm). Os tanques são pequenos (~50 litros cada) devido ao espaço limitado da estação.
Capacidade: Um tanque LOX de 50 litros contém aproximadamente 60 kg de oxigênio (já que o LOX tem uma densidade de 1,141 kg/L), o suficiente para 7 astronautas por aproximadamente 10 dias. A ISS possui 2 desses tanques, fornecendo um total de aproximadamente 120 kg (suficiente para aproximadamente 20 dias).
Desafios: Armazenar LOX no espaço é difícil porque a temperatura da estação flutua (de -120 graus na sombra a 120 graus na luz solar), fazendo com que parte do LOX ferva (vaporize). Para minimizar a evaporação, os tanques são equipados com aquecedores que regulam a temperatura e uma válvula limitadora de pressão que libera o excesso de gás (que é então capturado e utilizado na atmosfera da estação).
5. Garantindo o fornecimento uniforme entre os módulos
A ISS é uma rede complexa de 16 módulos (em 2024), incluindo alojamentos (por exemplo, alojamentos da tripulação), laboratórios (por exemplo, Columbus, Kibo) e módulos de serviço (por exemplo, Zvezda, Nauka). Para garantir que cada módulo tenha uma concentração consistente de oxigênio de 21%, a estação usa umsistema de distribuição centralizadocom os seguintes componentes:
5.1 Ventiladores de Circulação de Ar
Cada módulo tem 4–6ventiladores de circulação de arque movem o ar a uma taxa de aproximadamente 1 metro cúbico por minuto. Esses fãs:
Evite bolsas de ar estagnadas (que podem levar a baixos níveis de oxigênio nos cantos do módulo).
Misture o oxigênio recém-produzido com o ar existente para manter a concentração de 21%.
Empurre o ar através dos sistemas CDRA/Vozdukh para remover CO₂ e contaminantes.
Os ventiladores são fundamentais porque, na microgravidade (ausência de peso), o ar não circula naturalmente (como acontece na Terra devido à convecção). Sem ventiladores, os astronautas poderiam sofrer hipóxia em áreas distantes da fonte de oxigênio.
5.2 Válvulas e Tubulações
Uma rede detubos de aço inoxidável(2–4 polegadas de diâmetro) conecta o OGS, tanques de armazenamento e módulos. Cada tubo está equipado com:
Válvulas Solenóides: Válvulas controladas eletricamente que abrem e fecham para regular o fluxo de oxigênio. Estas válvulas são redundantes (cada tubo possui duas válvulas) para evitar vazamentos.
Sensores de pressão: Monitore a pressão nas tubulações para garantir que corresponda à pressão atmosférica da estação (101,3 kPa). Se a pressão cair (por exemplo, devido a um vazamento), os sensores disparam um alarme e fecham as válvulas afetadas.
Filtros: Remova poeira e detritos do oxigênio para evitar danos aos ventiladores e aos sistemas de suporte vital.
5.3 Módulo-Reguladores Específicos
Cada módulo possui umregulador de pressãoque ajusta o fluxo de oxigênio no módulo com base em seu tamanho e ocupação. Por exemplo:
Módulos pequenos (por exemplo, os alojamentos da tripulação, que têm ~10 metros cúbicos) requerem uma taxa de fluxo menor (~0,1 kg de oxigênio por dia) do que módulos grandes (por exemplo, o Laboratório Columbus, que tem ~75 metros cúbicos, exigindo ~0,5 kg por dia).
Os reguladores também garantem que a pressão do módulo permaneça em 101,3 kPa, mesmo que outros módulos estejam sendo repressurizados (por exemplo, após uma caminhada espacial).
