La Estación Espacial Internacional (ISS),-un satélite artificial habitable que orbita la Tierra a una altitud de ~400 kilómetros-depende de un sofisticado sistema de oxígeno de circuito cerrado-para sustentar a su tripulación de siete astronautas (capacidad máxima) durante meses seguidos. A diferencia de la Tierra, donde el oxígeno abunda en la atmósfera, el espacio es un vacío sin una fuente natural de oxígeno. Esto significa que la ISS debe producir, almacenar, distribuir y reciclar oxígeno completamente a bordo-, al mismo tiempo que gestiona gases residuales como el dióxido de carbono (CO₂). El diseño del sistema prioriza la confiabilidad (para evitar fallas que pongan en peligro la vida), la eficiencia (para minimizar las misiones de reabastecimiento) y la adaptabilidad (para manejar cambios en el tamaño de la tripulación y fallas en el equipo). A continuación se muestra un desglose completo del sistema de oxígeno de la ISS, incluidos sus componentes principales, principios de funcionamiento, desafíos y protocolos de respaldo.
1. Mantener una atmósfera habitable
Antes de profundizar en los detalles técnicos, es fundamental comprender el objetivo principal del sistema de oxígeno de la ISS: mantener una atmósfera que imite lo más fielmente posible a la de la Tierra. Para la supervivencia humana, la ISS requiere:
Concentración de oxígeno: 21% (igual que la atmósfera terrestre), que es el nivel óptimo para respirar y evitar la hipoxia (bajo nivel de oxígeno) o la toxicidad del oxígeno (alto nivel de oxígeno).
Presión: 101,3 kilopascales (kPa) o 1 atmósfera (atm)-equivalente a la presión al nivel del mar-en la Tierra. Esto previene la enfermedad por descompresión (un riesgo cuando la presión cae demasiado) y permite a los astronautas respirar normalmente sin equipo especializado (excepto durante las caminatas espaciales).
Depuración de gases: Eliminación de gases residuales como CO₂ (producido por la respiración) y trazas de contaminantes (p. ej., compuestos orgánicos volátiles de equipos o alimentos).
Para lograrlo, el sistema de oxígeno de la ISS funciona como uncircuito semi-cerrado-produce oxígeno nuevo, recicla el oxígeno de los flujos de desechos, almacena el exceso de oxígeno para emergencias y lo distribuye uniformemente entre los módulos de la estación.
2. El Sistema de Generación de Oxígeno (OGS)
La principal fuente de oxígeno de la ISS es laSistema de generación de oxígeno (OGS), una configuración modular desarrollada por la NASA y Roscosmos de Rusia (con contribuciones de la Agencia Espacial Europea, ESA, y la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón, JAXA). La OGS utilizaelectrólisis-el mismo proceso químico utilizado en algunos-generadores de oxígeno basados en la Tierra-para dividir el agua (H₂O) en oxígeno (O₂) e hidrógeno (H₂). A continuación se muestra un desglose detallado de sus componentes y funcionamiento:
2.1 Componentes de la OGS
El OGS consta de tres subsistemas clave, cada uno con hardware especializado:
Conjunto de procesamiento de agua (WPA): Antes de la electrólisis, se debe purificar el agua para eliminar contaminantes (p. ej., sales, materia orgánica) que podrían dañar los electrodos del OGS. La WPA recolecta agua de tres fuentes:
Agua Reciclada: Condensado del aire de la estación (vapor de agua proveniente de la respiración y el sudor), aguas residuales tratadas (p. ej., de lavabos, duchas) y orina (procesada por la Asamblea de Procesamiento de Orina, UPA).
Agua de reabastecimiento: Agua entregada a través de naves espaciales de carga (por ejemplo, Dragon de SpaceX, Cygnus de Northrop Grumman) como respaldo para cuando fallan los sistemas de reciclaje.
Agua de pila de combustible: Un subproducto de las antiguas celdas de combustible de la estación (utilizadas para generar electricidad antes de la instalación de paneles solares). Si bien las pilas de combustible ya no son fuentes de energía primarias, su agua residual todavía se utiliza si está disponible.
Módulo de electrólisis (EM): El corazón del OGS, el EM contiene dosCeldas de electrólisis de óxido sólido (SOEC)-dispositivos avanzados que utilizan altas temperaturas (600 a 800 grados) para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno. A diferencia de los sistemas de electrólisis tradicionales (que utilizan electrolitos líquidos), los SOEC utilizan un electrolito cerámico sólido que es más eficiente, compacto y duradero en el espacio. Así es como funciona el proceso:
El agua purificada se introduce en los SOEC en forma de vapor (se vaporiza para aumentar la eficiencia).
Se aplica una corriente eléctrica (de los paneles solares de la ISS) a los electrodos (ánodo y cátodo) de las SOEC.
En el ánodo, el vapor reacciona con el electrolito cerámico para producir oxígeno gaseoso (O₂), electrones e iones de hidrógeno (H⁺).
Los electrones fluyen a través de un circuito externo (generando una pequeña cantidad de electricidad adicional), mientras que los iones de hidrógeno se mueven a través del electrolito hasta el cátodo.
En el cátodo, los iones de hidrógeno se combinan con los electrones para formar gas hidrógeno (H₂).
Subsistema de manipulación de oxígeno (OHS): Después de la producción, el oxígeno del EM se procesa y distribuye:
Enfriamiento: El gas oxígeno caliente (de los SOEC) se enfría a temperatura ambiente mediante intercambiadores de calor (conectados al sistema de control térmico de la ISS).
El secado: Cualquier vapor de agua restante se elimina utilizando tamices moleculares (similares a los de los concentradores de oxígeno basados en la Tierra-) para evitar la condensación en las tuberías de la estación.
Distribución: El oxígeno puro y seco (99,999% de pureza) se envía a la atmósfera de la ISS a través de una red de válvulas y tuberías, mezclándose con el aire existente para mantener la concentración del 21%.
Ventilación de hidrógeno: La ISS no utiliza el subproducto de hidrógeno (ya que la estación funciona con energía solar, no con pilas de combustible de hidrógeno) y se ventila al espacio. Ésta es una diferencia clave con respecto a las primeras estaciones espaciales como la Mir, que utilizaban hidrógeno para generar electricidad.
2.2 Eficiencia y Capacidad de la OGS
El OGS está diseñado para satisfacer la demanda diaria de oxígeno de la ISS, que es de ~0,84 kilogramos (kg) por astronauta (equivalente a ~588 litros de oxígeno gaseoso a 1 atm). Para una tripulación de siete personas, esto equivale a ~5,88 kg de oxígeno por día. Las métricas clave de desempeño de la OGS incluyen:
Tasa de producción: Cada SOEC puede producir ~0,5 kg de oxígeno por día, por lo que las dos SOEC juntas generan ~1 kg por día. Sin embargo, el sistema funciona en modo escalonado (un SOEC activo, otro en espera) para reducir el desgaste, lo que da como resultado una producción neta de ~0,5 kg por día. Esto significa que el OGS por sí solo no puede satisfacer la demanda de toda la tripulación-de ahí la necesidad de fuentes de oxígeno adicionales (consulte la Sección 3).
Eficiencia Energética: Los SOEC son muy eficientes y convierten ~80% de la energía eléctrica en oxígeno (en comparación con ~60% de los sistemas de electrólisis tradicionales). Esto es fundamental porque los paneles solares de la ISS tienen una capacidad limitada (~120 kilovatios, kW, de potencia para todos los sistemas).
Fiabilidad: El OGS tiene una vida útil de diseño de 15 años (ampliada de los 10 años originales) e incluye componentes redundantes (p. ej., SOEC de respaldo, válvulas) para evitar fallas. Desde su instalación en 2008 (como parte del módulo Nodo 3 de la ISS, Tranquility), el OGS sólo ha experimentado problemas menores (por ejemplo, filtros de agua obstruidos) que se resolvieron mediante resolución remota de problemas.
3. Sistemas complementarios y de respaldo
Si bien el OGS es la principal fuente de oxígeno, la ISS depende de tres sistemas secundarios para garantizar un suministro continuo-crítico cuando el OGS no funciona correctamente o durante los picos de demanda (por ejemplo, cuando el tamaño de la tripulación aumenta temporalmente).
3.1 Tanques de oxígeno presurizados (segmento ruso)
El segmento ruso (RS) de la ISS-que incluye módulos como Zvezda (módulo de servicio) y Nauka (módulo de laboratorio multipropósito)-utilizatanques de oxígeno presurizadoscomo respaldo. Estos tanques son:
Diseño: Tanques cilíndricos hechos de aleación de titanio (para soportar alta presión y radiación espacial) con una capacidad de ~40 litros cada uno. Almacenan oxígeno como un gas de alta-presión (3000 psi o 20,7 MPa)-el mismo tipo que se utiliza en los tanques de buceo terrestres-pero modificados para el espacio.
Suministrar: Los tanques se entregan a la ISS a través de naves espaciales de carga rusas (por ejemplo, Progress) y se conectan a los puertos externos de la RS. Cada misión Progress lleva de 2 a 3 tanques, que proporcionan entre 100 y 150 kg de oxígeno por misión (suficiente para sustentar a una tripulación de 7 personas durante aproximadamente 20 a 25 días).
Despliegue: Cuando falla el OGS, el sistema de soporte vital del RS abre válvulas para liberar oxígeno de los tanques a la atmósfera de la estación. Los tanques también se utilizan durante los paseos espaciales (EVA, Actividad Extravehicular) para suministrar oxígeno a los trajes espaciales de los astronautas.
3.2 Velas de oxígeno (generadores de oxígeno químico)
Para situaciones de emergencia (por ejemplo, una falla importante del OGS combinada con un retraso en el reabastecimiento de carga), la ISS utilizavelas de oxigeno-Generadores compactos de base química-que producen oxígeno mediante una reacción térmica. Estas velas son:
Composición: Cada vela es un bloque sólido de clorato de sodio (NaClO₃) mezclado con un catalizador (p. ej., polvo de hierro) y un combustible (p. ej., aluminio). Cuando se enciende, el clorato de sodio se descompone a altas temperaturas (500 a 600 grados) para producir oxígeno gaseoso y cloruro de sodio (sal de mesa).
Capacidad: Una sola vela (que pesa ~1 kg) produce ~60 litros de oxígeno (suficiente para un astronauta durante ~10 horas). La ISS transporta ~100 velas, almacenadas en contenedores ignífugos en cada módulo (por ejemplo, Zarya, Unity) para un fácil acceso.
Seguridad: Las velas de oxígeno están diseñadas para ser seguras en el espacio-no producen llamas abiertas (solo calor) y el subproducto de cloruro de sodio no es-tóxico (se recoge en un filtro y luego se elimina durante las misiones de carga). Sin embargo, sólo se utilizan como último recurso debido a su capacidad limitada y la necesidad de activación manual.
3.3 Soporte vital regenerativo: reciclaje de oxígeno del CO₂
La ISSSistema de Control Ambiental y Soporte Vital (ECLSS)Incluye un componente regenerativo que recicla el oxígeno del CO₂-reduciendo la necesidad de nueva producción de oxígeno. Esto se hace a través delConjunto de eliminación de dióxido de carbono (CDRA)(Segmento EE.UU.) y elSistema Vozduj(Segmento ruso):
CDRA (segmento estadounidense): utiliza un proceso de dos-pasos llamadodesorción de agua de amina sólidapara eliminar CO₂ y producir oxígeno:
Adsorción de CO₂: El aire de la ISS se bombea a través de un lecho de amina sólida (un compuesto químico que se une al CO₂). La amina atrapa el CO₂, mientras que el aire limpio (sin CO₂) regresa a la estación.
Desorción y producción de oxígeno.: Cuando el lecho de amina está saturado, se calienta para liberar el CO₂ atrapado. Luego, el CO₂ se hace reaccionar con hidrógeno (del proceso de electrólisis del OGS) en unreactor sabatier(otro componente de ECLSS) para producir agua (H₂O) y metano (CH₄). Luego, el agua se envía al OGS para dividirla en oxígeno e hidrógeno, creando un circuito cerrado.
Sistema Vozdukh (segmento ruso): Utiliza un proceso similar pero con una sustancia química diferente (hidróxido de litio, LiOH) para absorber CO₂. A diferencia del CDRA, el sistema Vozdukh no recicla CO₂ en oxígeno-sino que el LiOH se descarta después de saturarse (se reemplaza mediante misiones de carga). Sin embargo, es más simple y confiable que el CDRA, lo que lo convierte en una valiosa copia de seguridad.
El sistema regenerativo reduce la demanda de oxígeno de la ISS en ~40%-una ganancia de eficiencia crítica que minimiza la necesidad de misiones de reabastecimiento. Por ejemplo, sin reciclaje, la estación necesitaría ~9,8 kg de oxígeno por día para 7 astronautas; con el reciclaje, esto se reduce a ~5,88 kg.
4. Garantizar la resiliencia ante las emergencias
Además de las fuentes secundarias, la ISS cuenta con sistemas de almacenamiento de oxígeno dedicados para manejar los picos de demanda y las emergencias. Estos sistemas están diseñados para almacenar oxígeno en dos formas: gas y líquido a alta-presión.
4.1 Almacenamiento de gas a alta-presión (segmento estadounidense)
El segmento estadounidenseTanques de gasolina de alta-presiónestán ubicados en los módulos Nodo 1 (Unidad) y Nodo 3 (Tranquilidad). Estos tanques:
Diseño: Tanques esféricos fabricados en Inconel (una aleación de níquel-cromo resistente a la corrosión y a las altas temperaturas) con una capacidad de ~150 litros cada uno. Almacenan oxígeno a 6000 psi (41,4 MPa)-el doble de presión que los tanques del segmento ruso-lo que permite almacenar más oxígeno en un espacio más pequeño.
Capacidad: Cada tanque contiene ~100 kg de oxígeno (suficiente para 7 astronautas durante ~17 días). El segmento estadounidense tiene 4 tanques de este tipo, lo que proporciona un respaldo total de ~400 kg (suficiente para ~68 días).
Caso de uso: Estos tanques se utilizan para complementar el OGS durante los picos de demanda (por ejemplo, cuando dos astronautas realizan una caminata espacial, lo que aumenta el consumo de oxígeno en aproximadamente un 50 %) y como respaldo si el OGS falla. También se utilizan para represurizar la estación después de una caminata espacial (ya que se pierde algo de aire durante la EVA).
4.2 Almacenamiento de oxígeno líquido (LOX) (solo de emergencia)
Para emergencias-a largo plazo (por ejemplo, un fallo del OGS de un mes-), la ISS puede almacenaroxígeno líquido (LOX)-la misma forma que se utiliza en el combustible para cohetes. LOX se almacena en:
Diseño: Tanques-de doble pared con una capa de aislamiento al vacío para mantener el LOX a -183 grados (su punto de ebullición a 1 atm). Los tanques son pequeños (~50 litros cada uno) debido al espacio limitado en la estación.
Capacidad: Un tanque LOX de 50 litros contiene ~60 kg de oxígeno (ya que LOX tiene una densidad de 1,141 kg/L), suficiente para 7 astronautas durante ~10 días. La ISS tiene dos tanques de este tipo, que proporcionan un total de ~120 kg (suficiente para ~20 días).
Desafíos: Almacenar LOX en el espacio es difícil porque la temperatura de la estación fluctúa (de -120 grados en la sombra a 120 grados en la luz del sol), lo que hace que parte de LOX se evapore (se vaporice). Para minimizar la ebullición, los tanques están equipados con calentadores que regulan la temperatura y una válvula de alivio de presión que ventea el exceso de gas (que luego se captura y se utiliza en la atmósfera de la estación).
5. Garantizar un suministro uniforme en todos los módulos
La ISS es una red compleja de 16 módulos (a partir de 2024), que incluyen viviendas (por ejemplo, Crew Quarters), laboratorios (por ejemplo, Columbus, Kibo) y módulos de servicios (por ejemplo, Zvezda, Nauka). Para garantizar que cada módulo tenga una concentración constante de oxígeno del 21%, la estación utiliza unsistema de distribución centralizadocon los siguientes componentes:
5.1 Ventiladores de circulación de aire
Cada módulo tiene de 4 a 6ventiladores de circulación de aireque mueven el aire a una velocidad de ~1 metro cúbico por minuto. Estos fanáticos:
Evite bolsas de aire estancado (que podrían provocar niveles bajos de oxígeno en las esquinas del módulo).
Mezcle el oxígeno recién producido con el aire existente para mantener la concentración del 21%.
Empuje aire a través de los sistemas CDRA/Vozdukh para eliminar el CO₂ y los contaminantes.
Los ventiladores son fundamentales porque, en microgravedad (ingravidez), el aire no circula de forma natural (como ocurre en la Tierra debido a la convección). Sin ventiladores, los astronautas podrían experimentar hipoxia en áreas alejadas de la fuente de oxígeno.
5.2 Válvulas y Tuberías
una red detubos de acero inoxidable(2 a 4 pulgadas de diámetro) conecta el OGS, los tanques de almacenamiento y los módulos. Cada tubería está equipada con:
Válvulas solenoides: Válvulas controladas eléctricamente que se abren y cierran para regular el flujo de oxígeno. Estas válvulas son redundantes (cada tubería tiene dos válvulas) para evitar fugas.
Sensores de presión: Controle la presión en las tuberías para asegurarse de que coincida con la presión atmosférica de la estación (101,3 kPa). Si la presión cae (por ejemplo, debido a una fuga), los sensores activan una alarma y cierran las válvulas afectadas.
Filtros: Retire el polvo y los residuos del oxígeno para evitar daños a los ventiladores y a los sistemas de soporte vital.
5.3 Módulo-Reguladores específicos
Cada módulo tiene unregulador de presiónque ajusta el flujo de oxígeno hacia el módulo según su tamaño y ocupación. Por ejemplo:
Los módulos pequeños (por ejemplo, los cuartos de la tripulación, que miden ~10 metros cúbicos) requieren un caudal menor (~0,1 kg de oxígeno por día) que los módulos grandes (por ejemplo, el Laboratorio Columbus, que mide ~75 metros cúbicos y requieren ~0,5 kg por día).
Los reguladores también garantizan que la presión del módulo permanezca en 101,3 kPa, incluso si se represurizan otros módulos (por ejemplo, después de una caminata espacial).
