Электролизно-криогенный производственный комплекс
в орбитальных условиях

   Ниже рассматривается орбитальный заправочный комплекс, оснащённый оборудованием, предназначенным для получения из воды основных компонентов топлива - жидкого водорода и жидкого кислорода. ОЗК предназначен для обеспечения годового грузопотока на ГСО 22.5 т при работе в составе системы средств выведения КА на ГСО, хотя ничто не мешает его многоцелевому использованию. Наклонение орбиты базирования ОЗК составляет 51.6°.
   Процесс электролиза воды давно освоен на Земле, а также не одно десятилетие используется на орбитальных станциях с целью получения кислорода для СЖО. Затраты электричества на разложение воды оцениваются следующим образом. Напряжение разложения воды составляет 1.7 В. Количество выделившегося на электроде вещества определяется законами Фарадея и составит
P=eIt, где e - электрохимический эквивалент, I - сила тока, t - время электролиза. Для иона водорода e=1.04.10-8 кг, следовательно, при правильной организации процесса затраты электроэнергии на разложение воды составят около 18.2 МДж/кг. Это означает 23.4 МДж на 1 кг компонентов топлива при их соотношении 1:6. Мощность электролизной установки составит 23400×0.0036=84.2 кВт.
   Для ожижения газов используются криогенные установки, работающие по методу Клода, использующие детандеры или основанные на эффекте Джоуля-Томпсона, при этом в земных условиях определяющим фактором работы является защита от теплового излучения окружающей среды. Успешному решению проблемы термоизоляции способствует вакуумирование холодной части рабочей зоны и накопительных ёмкостей, что требует ощутимых затрат. Производство ЖК (температура 90-100 °К) в земных условиях не требует чрезмерных энергозатрат - его стоимость в ценах 1998 года составляла $50-90/т. Значительно сложнее и энергозатратнее ожижение водорода. Для ЖВ стандартная энтальпия образования
J=4440 кДж/кг (по другим данным -3828 кДж/кг), энтальпия испарения ∆H=453 кДж/кг, температура 20-22 °К.
   Условия орбитального полёта существенно облегчают задачу термоизоляции и сброса тепла. Ничто не мешает наращиванию многослойной лёгкой экранно-вакуумной термоизоляции до любой практически необходимой толщины. Вполне реально организовать затенение различных элементов криогенной установки не только от Солнца, но и от Земли, а также друг от друга - известно, что на теневой поверхности КА температура опускается ниже 100 °К.
   Эффективность холодильной установки характеризуется холодильным к-том
kхол=A/Q, где A - работа, затрачиваемая на отъём у охлаждаемого тела теплоты Q. kхол= Тн/(Тнхол)-1, где Тн и Тхол соответственно, температуры нагревателя и холодильника.
   Используя орбитальные условия и пневморесурс охлаждаемых газов, можно осуществить следующую схему криогенного производства. Газообразные кислород и водород при давлении 200 атм из электролизной установки подаются в первичный теплообменник-излучатель (радиатор) площадью 9 м
2, где охлаждаются до 180 °К. Такая площадь радиатора получится, если степень черноты его поверхности будет близка к 100%, и если он будет затенён от Солнца и Земли так, что будет периодически работоспособен в среднем 65% полётного времени. При правильном расположении отражателей найденная площадь будет относиться к излучаемой поверхности, а сам радиатор может быть плоским двухсторонним.
   Далее водород поступает в холодильную машину, где охлаждается до 80 °К. Охлаждение осуществляется внешним рабочим телом, при этом температура нагревателя составляет 240 °К, холодильный коэффициент
kхол=0.5, площадь радиатора 9.5 м2, идеальная потребляемая мощность - 1.5 кВт. Из холодильной машины водород поступает в детандер, где в несколько ступеней проходит адиабатическое расширение. Конденсация водорода начинается, когда его давление падает в ~30 раз, т. е. при 6-7 атм. Всего давление сбрасывается до 1 атм, при этом значительная часть водорода переходит в жидкое состояние. Оставшийся газообразный водород в состоянии насыщенного пара подаётся в криогенный ожижитель, где полностью конденсируется. Так как выделяющаяся теплота через несколько ступеней попадёт в радиатор с предполагаемой температурой 240 °К, то общий холодильный к-т процесса  ожижения составит kхол=0.09, потребляемая мощность не более 2.3 кВт, потребуется дополнительно 14.5 м2 теплоизлучающей поверхности.
   Реальная производительность установки по сжижению водорода будет отличаться от классической из-за специфического квантового эффекта. Существуют две модификации водорода: ортоводород и параводород. Они различаются взаимной ориентацией ядерных спинов. У ортоводорода они имеют одинаковое направление, у параводорода - противоположное. При нормальной температуре водород представляет собой смесь 75% ортоводорода и 25% параводорода. С понижением температуры в условиях равновесия доля параводорода увеличивается, достигая в жидком водороде при Т = 20,4 °К 98,8%, т.е. равновесный жидкий водород практически является параводородом. Процесс превращения ортоводорода в параводород называется орто-параконверсией. При сжижении водорода без применения специальных методов орто-параконверсия не происходит, состав смеси сохраняется. Конверсия происходит самопроизвольно уже в неравновесном жидком водороде: через 100 часов образуется 59,5% параводорода, через 1000 часов - 92%. При полной конверсии выделяется тепло - 525 кДж на 1 кг изначальной смеси орто-параводорода, следовательно, водород должен весь выкипеть. Для уменьшения потерь жидкого водорода при хранении проводится ускоренная конверсия водорода в присутствии катализаторов на этапе ожижения. Для процесса ожижения водорода теплота конверсии является балластной, поскольку она отводится непосредственно в поток водорода, и в результате производительность ожижителя существенно снижается, обычно - на 30…40%. Приняв для расчёта максимальное значение, получим суммарное энергопотребление криогенной водородной установки 6,3 кВт, а площадь радиатора – 55 м
2.
   Кислород из первичного радиатора поступает в кислородный детандер, где в несколько ступеней проходит адиабатическое расширение. Конденсация кислорода начинается, когда его давление падает в ~4 раза, т. е. при ~25 атм. Всего давление сбрасывается до 1 атм, при этом бòльшая часть кислорода переходит в жидкое состояние. Оставшаяся незначительная часть газообразного кислорода в состоянии насыщенного пара подаётся в холодильную машину, где полностью сжижается. Это потребует энергозатрат не более 0.3 кВт, а прирост площади радиатора составит не более 2 м
2.
   Суммарно получается идеальная требуемая мощность 4.1 кВт, а площадь поверхности радиаторов 57 м
2.
   Полученные результаты не учитывают все возможные потери при производстве топлива, но говорят о том, что реальные энергозатраты на ожижение компонентов составят малую долю от энергозатрат на их получение из воды. При расчёте суммарного энергопотребления следует учесть, что электролиз при повышенном давлении будет сопровождаться и повышенными энергозатратами, несколько бòльшими, чем работа по изотермическому сжатию газа (1.1 МДж на килограмм продуктов разложения). Тогда в энергетику электролизного блока следует внести поправки:
- затраты электроэнергии на разложение воды - 20 МДж/кг;
- затраты электроэнергии на получение 1 кг газообразных компонентов топлива при соотношении 1:6 - 25.7 МДж/кг;
- мощность электролизной установки - 92.5 кВт;
- суммарное энергопотребление топливного производства - около 100 кВт.

   Площадь солнечных батарей для нужд топливного производства, при их эффективности 150 Вт/м2, составит 670 м2. На орбите с наклонением 51° их средняя площадь миделя при солнечной ориентации составит около 450 м2, вместе с радиатором ~ 510 м2. Для компенсации аэродинамического сопротивления на высоте 400 км при использовании ДУ, работающей на сжатых кислороде и водороде, потребуется около 1 т топлива в год. Каждая тонна ПГ, ежегодно выводимого на ГСО должна быть обеспечена 30 м2 солнечных батарей. Их общая масса составит 3350 кг при удельной массе 5 кг/м2, а стоимость - $20.1 млн. при удельной стоимости $30000/м2. Учитывая, что начальная эффективность современных СБ составляет 250 Вт/м2 и более, а средняя деградация - не более 5-7% в год, реально ожидать от них 10-летнего гарантированного срока службы, т. е. для поддержания требуемой мощности можно планировать ежегодную замену 67 м2. Тогда стоимость выведения одного килограмма груза на ГСО должна включать  $100 затрат на производство СБ. Кроме того, сама доставка СБ (15 кг/т выводимого на ГСО груза) так же потребует расходов $75 при стоимости доставки на ОС $5000/кг. С учётом работ на развёртывание суммарные ежегодные затраты на замену СБ можно оценить в $200 на кг выводимого на ГСО груза, что соответствует ~1% стоимости выведения.