国際宇宙ステーション (ISS) -高度約 400 キロメートルで地球を周回する居住可能な人工衛星-は、一度に 7 人の宇宙飛行士 (最大収容人数) の乗組員を数か月間維持するために、高度な閉ループ酸素システムに依存しています。-大気中に酸素が豊富にある地球とは異なり、宇宙は真空であり、自然の酸素源はありません。これは、ISS が二酸化炭素 (CO₂) などの排ガスを管理しながら、酸素を完全に船内で生成、貯蔵、分配、リサイクルする必要があることを意味します。-このシステムの設計では、信頼性（生命を脅かす故障を回避するため）、効率性（補給任務を最小限に抑えるため）、適応性（乗組員の人数の変更や機器の故障に対処するため）が優先されています。-以下は、コアコンポーネント、動作原理、課題、バックアッププロトコルを含む、ISS 酸素システムの包括的な内訳です。
1. 住みやすい雰囲気の維持
技術的な詳細を掘り下げる前に、ISS の酸素システムの主な目的、つまり地球の大気を可能な限り模倣した大気を維持することを理解することが重要です。人類が生き残るために、ISS には以下が必要です。
酸素濃度: 21% (地球の大気と同じ)。これは、呼吸と低酸素症 (低酸素) または酸素毒性 (高酸素) の回避に最適なレベルです。
プレッシャー: 101.3 キロパスカル (kPa) または 1 気圧 (atm)-地球の海面気圧に相当します-。これにより、減圧症（圧力が下がりすぎる場合のリスク）が防止され、宇宙飛行士は特別な装備なしで（船外活動中を除く）通常の呼吸が可能になります。
ガス洗浄: CO₂ (呼吸によって生成される) などの排ガスや微量汚染物質 (機器や食品からの揮発性有機化合物など) の除去。
これを達成するために、ISS 酸素システムは次のように動作します。半閉ループ--新しい酸素を生成し、廃棄物の流れから酸素をリサイクルし、緊急時に備えて過剰な酸素を貯蔵し、ステーションのモジュール全体に均等に酸素を分配します。
2. 酸素発生システム (OGS)
ISS の主な酸素源は、酸素発生システム (OGS)、NASA とロシアのロスコスモスによって開発されたモジュール式セットアップ (欧州宇宙機関 ESA、宇宙航空研究開発機構 JAXA の協力により)。 OGS が使用するのは、電解-地球上の一部の-酸素発生装置-で水（H₂O）を酸素（O₂）と水素（H₂）に分解するために使用されているのと同じ化学プロセス。そのコンポーネントと動作の詳細な内訳は次のとおりです。
2.1 OGS のコンポーネント
OGS は 3 つの主要なサブシステムで構成されており、それぞれが特殊なハードウェアを備えています。
水処理アセンブリ (WPA): 電気分解の前に、OGS の電極に損傷を与える可能性のある汚染物質 (塩、有機物など) を除去するために水を精製する必要があります。 WPA は 3 つの水源から水を収集します。
再生水: ステーションの空気 (呼吸や発汗による水蒸気)、処理済み廃水 (シンク、シャワーなど)、および尿 (尿処理アセンブリ、UPA によって処理) からの凝縮水。
水の補給：リサイクルシステムが故障した場合のバックアップとして、貨物宇宙船（スペースX社のドラゴン、ノースロップ・グラマン社のシグナスなど）を介して配送される水。
燃料電池水: ステーションの以前の燃料電池の副産物 (太陽電池アレイを設置する前に発電に使用されていました)。燃料電池はもはや主要な電源ではありませんが、利用可能な場合はその残留水が依然として使用されます。
電解モジュール (EM): OGS の心臓部である EM には 2 つの要素が含まれています固体酸化物電解セル (SOEC)-高温（600 ～ 800 度）を使用して水を酸素と水素に分解する先進的な装置。従来の電解システム (液体電解質を使用する) とは異なり、SOEC はより効率的でコンパクトで宇宙空間でも耐久性のある固体セラミック電解質を使用します。プロセスの仕組みは次のとおりです。
精製水は蒸気として SOEC に供給されます (効率を上げるために蒸発させられます)。
(ISS の太陽電池アレイからの) 電流が SOEC の電極 (アノードとカソード) に印加されます。
アノードでは、蒸気がセラミック電解質と反応して酸素ガス (O₂)、電子、水素イオン (H⁺) を生成します。
電子は外部回路を通って流れます (少量の追加電気が生成されます)。一方、水素イオンは電解質を通ってカソードに移動します。
カソードでは、水素イオンが電子と結合して水素ガス (H2) を形成します。
酸素処理サブシステム (OHS): 生産後、EM からの酸素が処理され、分配されます。
冷却: (SOEC からの) 熱い酸素ガスは、(ISS の熱制御システムに接続された) 熱交換器を使用して室温まで冷却されます。
乾燥: ステーションのパイプ内での結露を防ぐために、残った水蒸気はモレキュラーシーブ（地球上の酸素濃縮器にあるものと同様）を使用して除去されます。-
分布: 乾燥した純粋な酸素 (純度 99.999%) は、バルブとパイプのネットワークを介して ISS の大気中に送られ、既存の空気と混合して 21% の濃度を維持します。
水素の排出: 副生成物の水素は ISS では使用されず (ステーションは水素燃料電池ではなく太陽光発電で稼働しているため)、宇宙に放出されます。これは、発電に水素を使用していたミールのような初期の宇宙ステーションとの大きな違いです。
2.2 OGS の効率と容量
OGS は、宇宙飛行士 1 人あたり約 0.84 キログラム (kg) である ISS の 1 日の酸素需要を満たすように設計されています (1 気圧で約 588 リットルの酸素ガスに相当)。乗組員 7 人の場合、1 日あたり合計約 5.88 kg の酸素を摂取することになります。 OGS の主要なパフォーマンス指標には次のものが含まれます。
生産率: 各 SOEC は 1 日あたり約 0.5 kg の酸素を生成できるため、2 つの SOEC を合わせて 1 日あたり約 1 kg の酸素を生成します。ただし、システムは摩耗を軽減するために時差モード (1 つの SOEC がアクティブ、もう 1 つがスタンバイ) で動作するため、1 日あたりの純生産量は約 0.5 kg になります。これは、OGS だけでは乗組員全員の需要を満たすことができないことを意味します。-したがって、追加の酸素源が必要になります (セクション 3 を参照)。
エネルギー効率: SOEC は効率が高く、電気エネルギーの ~80% を酸素に変換します (従来の電気分解システムでは ~60%)。 ISS の太陽電池アレイの容量は限られている (すべてのシステムの電力が約 120 キロワット、kW) ため、これは非常に重要です。
信頼性: OGS の設計寿命は 15 年 (当初の 10 年から延長) で、障害を防ぐための冗長コンポーネント (バックアップ SOEC、バルブなど) が含まれています。 2008 年に（ISS のノード 3 モジュール「Tranquility」の一部として）設置されて以来、OGS は軽微な問題（水フィルターの詰まりなど）のみを経験しており、遠隔トラブルシューティングによって解決されました。
3. バックアップおよび補助システム
OGS が主要な酸素源である一方で、ISS は 3 つの二次システムに依存して、OGS が故障したときや需要のピーク時（乗組員の人数が一時的に増加したときなど）に不可欠な継続的な供給を確保しています。{0}}
3.1 加圧酸素タンク（ロシアセグメント）
ISS のロシア セグメント (RS)-には、Zvezda (サービス モジュール) や Nauka (多目的実験モジュール) などのモジュールが含まれています-加圧酸素タンクバックアップとして。これらのタンクは次のとおりです。
デザイン: チタン合金製の円筒形タンク (高圧および宇宙放射線に耐えるため)、それぞれ最大 40 リットルの容量があります。これらは酸素を高圧ガス (3,000 psi、または 20.7 MPa) として貯蔵します。-これは地球上のスキューバ タンクで使用されているものと同じタイプですが、宇宙用に改良されています。-
供給: タンクはロシアの貨物宇宙船 (プログレスなど) を介して ISS に配送され、RS の外部ポートに取り付けられます。各プログレスミッションには 2 ～ 3 個のタンクが搭載されており、ミッションごとに約 100 ～ 150 kg の酸素を供給します (7 人の乗組員を約 20 ～ 25 日間サポートするのに十分な量)。
導入: OGS が故障すると、RS の生命維持システムがバルブを開いて酸素をタンクからステーションの大気中に放出します。このタンクは、宇宙遊泳 (EVA、船外活動) 中に宇宙飛行士の宇宙服に酸素を供給するためにも使用されます。
3.2 酸素キャンドル（化学酸素発生器）
緊急事態（例：大規模な OGS 障害と貨物補給の遅延の組み合わせ）の場合、ISS は酸素キャンドル-熱反応によって酸素を生成する、コンパクトな化学ベースの発生器-。これらのキャンドルは次のとおりです。
構成: 各キャンドルは、触媒 (例: 鉄粉) および燃料 (例: アルミニウム) と混合された塩素酸ナトリウム (NaClO3) の固体ブロックです。塩素酸ナトリウムは点火すると高温（500～600度）で分解し、酸素ガスと塩化ナトリウム（食塩）を生成します。
容量: 1 本のキャンドル (重さ約 1 kg) から約 60 リットルの酸素が生成されます (宇宙飛行士 1 人が約 10 時間滞在できる量)。 ISS には約 100 本のキャンドルが搭載されており、簡単にアクセスできるように各モジュール (例: Zarya、Unity) の耐火容器に保管されています。
安全性: 酸素キャンドルは宇宙空間でも安全に使用できるように設計されています。-裸火は発生せず（熱のみ）、副生成物の塩化ナトリウムは毒性がありません（フィルターに収集され、貨物輸送中に除去されます）。-ただし、容量が限られており、手動でアクティブ化する必要があるため、最後の手段としてのみ使用されます。
3.3 再生型生命維持: CO₂ からの酸素のリサイクル
ISSの環境制御および生命維持システム (ECLSS)CO₂ から酸素をリサイクルする再生コンポーネントが含まれており、新たな酸素生成の必要性を軽減します。-これは、二酸化炭素除去アセンブリ (CDRA)（米国セグメント）およびヴォズドゥクシステム(ロシアセグメント):
CDRA (米国セグメント): と呼ばれる 2 段階のプロセスを使用します。-固体アミンの水分脱着CO₂ を除去して酸素を生成するには:
CO₂ 吸着: ISS からの空気は、固体アミン (CO₂ に結合する化合物) の床を通って送られます。アミンは CO₂ を捕捉し、きれいな空気 (CO₂ を含まない) がステーションに戻されます。
脱着と酸素生成: アミン床が飽和すると、加熱されて捕捉された CO2 が放出されます。次に、CO₂ は水素と (OGS の電気分解プロセスからの) 反応します。サバティエ炉（別のECLSSコンポーネント）水（H₂O）とメタン（CH₄）を生成します。次に、水は OGS に送られて酸素と水素に分割され、閉ループが形成されます。
ヴォズドゥク システム (ロシアセグメント): 同様のプロセスを使用しますが、CO₂ を吸収するために異なる化学物質 (水酸化リチウム、LiOH) を使用します。 CDRA とは異なり、ヴォズドゥク システムは CO₂ を酸素にリサイクルしません。-代わりに、LiOH は飽和後に廃棄されます (貨物輸送によって交換されます)。ただし、CDRA よりもシンプルで信頼性が高いため、貴重なバックアップとなります。
再生システムにより、ISS の酸素需要が最大 40% 削減されます。-これは、補給ミッションの必要性を最小限に抑える重要な効率の向上です。たとえば、リサイクルを行わないと、宇宙飛行士 7 人分のステーションでは 1 日あたり約 9.8 kg の酸素が必要になります。リサイクルすると、これは最大 5.88 kg に下がります。
4. 緊急時の回復力の確保
二次供給源に加えて、ISS にはピーク需要と緊急事態に対処するための専用の酸素貯蔵システムがあります。これらのシステムは、高圧ガスと液体の 2 つの形態で酸素を貯蔵するように設計されています。-
4.1 高圧ガス貯蔵（米国セグメント）-
米国セグメントの高圧ガスタンク-ノード 1 (Unity) およびノード 3 (Tranquility) モジュールにあります。これらのタンク:
デザイン: インコネル（腐食や高温に強いニッケル-クロム合金）製の球形タンクで、それぞれ最大 150 リットルの容量があります。これらは 6,000 psi (41.4 MPa) -ロシア部門のタンクの 2 倍の圧力-で酸素を貯蔵するため、より小さなスペースでより多くの酸素を貯蔵することができます。
容量: 各タンクには約 100 kg の酸素が入っています (宇宙飛行士 7 人が約 17 日間持つのに十分な量)。米国セグメントにはこのようなタンクが 4 基あり、合計約 400 kg (約 68 日間に相当) のバックアップを提供します。
使用事例: これらのタンクは、需要のピーク時 (例: 2 人の宇宙飛行士が船外活動を行っており、酸素消費量が約 50% 増加するとき) に OGS を補充するため、および OGS が故障した場合のバックアップとして使用されます。また、船外活動後にステーションを再加圧するためにも使用されます（船外活動中に空気がいくらか失われるため）。
4.2 液体酸素 (LOX) の貯蔵 (緊急時のみ)
長期にわたる緊急事態（例: 1 か月にわたる OGS 障害など）の場合、ISS は-液体酸素（LOX）-ロケット燃料に使用されるのと同じ形式。 LOX は次の場所に保存されます。
デザイン: LOX を -183 度 (1 気圧での沸点) に保つ真空断熱層を備えた二重壁タンク-。ステーションのスペースが限られているため、タンクは小さい (それぞれ約 50 リットル)。
容量: 50 リットルの LOX タンクには、約 60 kg の酸素が貯蔵されます (LOX の密度は 1.141 kg/L であるため)。これは、宇宙飛行士 7 人が約 10 日間持つのに十分な量です。 ISS にはそのようなタンクが 2 つあり、合計約 120 kg (約 20 日分に十分) を提供します。
課題: LOX を宇宙で保管することは困難です。ステーションの温度が変動し (-日陰の 120 度から太陽光の 120 度まで)、一部の LOX が沸騰 (蒸発) するからです。ボイルオフを最小限に抑えるために、タンクには温度を調整するヒーターと、過剰なガスを排出する圧力逃がしバルブが装備されています（その後、過剰なガスは回収されてステーションの大気中で使用されます）。
5. モジュール間での均一な供給の確保
ISS は、居住区域 (例: 乗務員居住区)、研究室 (例: コロンバス、きぼう)、サービス モジュール (例: ズベズダ、ナウカ) を含む 16 モジュール (2024 年現在) からなる複雑なネットワークです。すべてのモジュールの酸素濃度を一貫して 21% に保つために、ステーションでは集中配信システム次のコンポーネントを使用します。
5.1 空気循環ファン
各モジュールには 4 ～ 6 個のモジュールがあります空気循環ファン毎分約 1 立方メートルの速度で空気を移動させます。これらのファン:
停滞したエアポケット (モジュールの隅の酸素レベルの低下につながる可能性があります) を防ぎます。
新しく生成された酸素を既存の空気と混合して、濃度 21% を維持します。
CDRA/Vozdukh システムに空気を送り込み、CO₂ と汚染物質を除去します。
微小重力 (無重力) では、空気は (対流により地球上で行われるように) 自然に循環しないため、ファンは非常に重要です。ファンがなければ、宇宙飛行士は酸素源から遠く離れた場所で低酸素状態に陥る可能性があります。
5.2 バルブとパイプ
のネットワークステンレス鋼管(直径 2 ～ 4 インチ) OGS、貯蔵タンク、モジュールを接続します。各パイプには次のものが装備されています。
電磁弁: 酸素の流れを調節するために開閉する電気制御バルブ。これらのバルブは漏れを防ぐために冗長です (各パイプに 2 つのバルブがあります)。
圧力センサー: パイプ内の圧力を監視して、ステーションの大気圧 (101.3 kPa) と一致していることを確認します。圧力が低下すると（漏れなどにより）、センサーが警報を発し、影響を受けるバルブを閉じます。
フィルター: ファンや生命維持システムへの損傷を防ぐために、酸素から塵や破片を取り除きます。
5.3 モジュール-の特定の規制当局
各モジュールには、圧力調整器モジュールのサイズと占有率に基づいてモジュールへの酸素の流れを調整します。例えば：
小型モジュール (例: クルークォーター、約 10 立方メートル) は、大型モジュール (例: コロンバス研究所、約 75 立方メートル、1 日あたり約 0.5 kg 必要) よりも低い流量 (1 日あたり約 0.1 kg の酸素を必要とする) を必要とします。
また、レギュレーターは、たとえ他のモジュールが再加圧されている場合でも（船外活動後など）、モジュールの圧力が 101.3 kPa に維持されることを保証します。
