Generador de oxígeno ELEKTRON

El equipo de generación Elektron suministra continuamente a la Estación Espacial Internacional oxígeno para la respiración de sus tripulantes. Esto lo hace descomponiendo por electrólisis el agua obtenida de la destilación parcial de la orina, aunque también se puede utilizar agua de condensación de la atmósfera de la cabina, simpre que esta no contenga impurezas que podrían dañar el dispositivo. Debido al uso el mecanismo electromecánico se deteriora y obliga a los cosmonautas de la ISS (Y en su día a los de la MIR) a un mantenimiento en órbita, que incluye la sustitución de alguno de sus componentes.

Diagrama del equipo Elektron.

El primer equipo de electrólisis experimental ruso fue instalado sobre el módulo Kvant (De la estación espacial soviética MIR) en abril de 1987 y, posteriormente, el primer equipo comercial “Elektron“ se instaló a bordo del módulo Kvant-2 lanzado en diciembre de 1989. Este modelo “Elektron-V“ podía producir hasta 1.900 litros de oxígeno por día, con una potencia eléctrica de 860 watios. Tenía un peso en funcionamiento de 150 kg y, aunque se diseñó para trabajar durante tres años, estuvo en activo durante tres años y medio.

El sistema fue desarrollado y fabricado por la empresa Niichimmash (NIIKHIMMASH) ubicada en Sergiyev Posad (Zagorsk), cerca de Moscú. Esta empresa también construye motores cohete de combustible sólido.

En 1992 los ingenieros de la NASA examinaron una unidad Elektron de 110 kilogramos de peso y que consumía 7,4 Kw/h por cada kilogramo de oxígeno producido (El equipo estadounidense SPE de la empresa Hamilton Standard, consume 5,2 Kw/h para producir un kilogramo de oxígeno). La unidad utilizó como electrolito hidróxido de potasio KHO y el hidrógeno y el oxígeno se separaron del agua mediante separadores estáticos.

La unidad probada se encontraba dentro de un recipiente de titanio en el que se había creado una atmósfera de nitrógeno. El oxígeno no se almacenaba, descargándose directamente en la cabina a una presión de 45 psi. El hidrógeno se llevaba a un depósito de agua para, posteriormente, desviarlo a un Reactor Sabatier que hace reaccionar el hidrógeno y el dióxido de carbono para producir metano.

Niichimmash había construido un equipo Elektron sin la cubierta exterior para usos didácticos y dos unidades de vuelo, uno que había estado funcionando desde 1985 en la MIR, y el otro disponible para el apoyo de la misión en tierra. Otra unidad de vuelo se dispuso posteriormente en la Ciudad de las Estrellas para el entrenamiento de los cosmonautas.

La electrólisis del agua pura a baja temperatura se mejora con la presencia de un álcali que permite aumentar la conductividad y la ionización.

KOH = K+ + OH-

La conductividad del electrolito es máxima con una concentración de hidróxido potásico del 30% (KOH). Al ánodo llegan los iones negativos del grupo hidroxilo OH-, cediendo sus electrones.

4 OH- - 4e = 2H2O + O2

Se libera oxígeno y se forma agua. Las moléculas de agua emigran al cátodo, se oxidan, y liberan hidrógeno y grupos hidroxilo.

2H2O + 2e = 2 OH- + H2

El sistema de electrólisis de la MIR disponía de doce células de electrólisis con un voltaje de célula de 2 voltios y una intensidad total de 400 amperios, lo que supone una potencia de 800 watios. La altura del equipo era de 80 centímetros y el díametro de 13 centímetros.

El sistema de suministro de oxígeno del segmento ruso de la Estación Espacial Internacional incorpora una unidad Elektron, dos generadores de oxígeno de combustible sólido (TGK), y el oxígeno que transporta la nave espacial de carga de Progress. La unidad Elektron es la fuente principal de oxígeno y los TGK y el suministro de la Progress son las fuentes auxiliares.

El equipo Electrón trabaja con un circuito cerrado de solución de hidróxido de potasio al 30% (KOH). Las líneas de distribución de hidrógeno y oxígeno disponen de un regulador de presión y válvulas electromagnéticas. El circuito cerrado de hidróxido de potasio y el electrolizador se encuentran dentro de un recipiente hermético en donde se introduce nitrógeno a presión para evitar la acumulación accidental de hidrógeno y oxígeno que pudieran provocar una explosión. El circuito cerrado de electrolito se conecta a un depósito de agua, que se rellena de vez en cuando.

Dentro del circuito cerrado se encuentra la unidad de electrólisis, dos intercambiadores de calor, una bomba, y un depósito de almacenaje interno de agua. La bomba proporciona la circulación del electrólito por la unidad de electrólisis. El tanque de almacenamiento interno de agua actúa como una bomba mediante una membrana que empuja el agua para reponer la cantidad de agua descompuesta en oxígeno e hidrógeno. El regulador de presión mantiene la diferencia de presión entre las líneas de oxígeno y de hidrógeno.

El agua contiene un 89% de su peso de oxígeno. El equipo Elektron libera directamente el oxígeno en la cabina de la ISS y el hidrógeno lo expulsa al exterior de la nave, ya que no se puede aprovechar. La unidad de electrólisis está compuesta de 12 células de electrólisis alojadas en un compartimento estanco. Las células son refrigeradas por el sistema de control termal (STR). La descomposición de 1 kilogramo de agua produce 25 litros de oxígeno por hora a una presión de 760 mm de mercurio, que es suficiente para cubrir las necesidades de una persona durante un día. Para producir la cantidad diaria de oxígeno para 3 - 4 tripulantes se necesitan 3 - 4 kilogramos de agua. La potencia eléctrica necesaria para el proceso es de alrededor de 1 kw.

La unidad Elektron se controla mediante el sistema informático de a bordo. El sistema controla parámetros como el estado de las válvulas, la presión del oxígeno y del hidrógeno, la presión interna del recipiente del Elektron, la concentración de hidrógeno en la línea de oxígeno, y la concentración de oxígeno en la línea de hidrógeno. Si se detecta un 2% de hidrógeno en la línea de oxígeno o un 2% de oxígeno en la línea de hidrógeno se envía una señal de alarma al Panel de Control Integrado (InPU).

También se genera una señal de alarma si la temperatura del electrólito alcanza los 65º C, la presión de oxígeno en la línea sobrepasa las 0,65 atmósferas, la presión en el depósito de agua baja de 900 mm de columna de agua, la presión de nitrógeno en el contenedor a presión baja de 0,9 atmósferas, la presión diferencial entre las líneas del oxígeno y del hidrógeno sobrepasa los 500 mm de columna de agua o hay trazas de electrólito en las líneas de oxígeno e hidrógeno. En cualquiera de estas circunstancias el equipo Elektron realiza una parada automática

El comandante de la tripulación Nº 11, Sergei Krikalev repara el generador de oxígeno Elektron el 5 de mayo de 2005.