Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS)-satelit buatan yang dapat dihuni yang mengorbit Bumi pada ketinggian ~400 kilometer-mengandalkan sistem oksigen loop tertutup yang canggih untuk menopang 7 awak astronotnya (kapasitas maksimum) selama berbulan-bulan. Berbeda dengan Bumi yang kaya akan oksigen di atmosfer, ruang angkasa merupakan ruang hampa tanpa sumber oksigen alami. Artinya, ISS harus memproduksi, menyimpan, mendistribusikan, dan mendaur ulang oksigen seluruhnya di-pesawatnya, sekaligus mengelola gas buang seperti karbon dioksida (CO₂). Desain sistem memprioritaskan keandalan (untuk menghindari kegagalan-yang mengancam nyawa), efisiensi (untuk meminimalkan misi pasokan), dan kemampuan beradaptasi (untuk menangani perubahan jumlah kru dan malfungsi peralatan). Di bawah ini adalah rincian komprehensif sistem oksigen ISS, termasuk komponen inti, prinsip kerja, tantangan, dan protokol cadangannya.
1. Mempertahankan Suasana Layak Huni
Sebelum mempelajari detail teknisnya, penting untuk memahami tujuan utama sistem oksigen ISS: menjaga atmosfer semirip mungkin dengan Bumi. Untuk kelangsungan hidup manusia, ISS membutuhkan:
Konsentrasi Oksigen: 21% (sama dengan atmosfer bumi), yang merupakan tingkat optimal untuk respirasi dan menghindari hipoksia (oksigen rendah) atau keracunan oksigen (oksigen tinggi).
Tekanan: 101,3 kilopascal (kPa) atau 1 atmosfer (atm)-setara dengan tekanan permukaan laut-di Bumi. Hal ini mencegah penyakit dekompresi (risiko ketika tekanan turun terlalu rendah) dan memungkinkan astronot bernapas dengan normal tanpa peralatan khusus (kecuali saat berjalan di luar angkasa).
Penggosokan Gas: Penghapusan gas limbah seperti CO₂ (yang dihasilkan oleh respirasi) dan zat kontaminan (misalnya senyawa organik yang mudah menguap dari peralatan atau makanan).
Untuk mencapai hal ini, sistem oksigen ISS beroperasi sebagai asemi-lingkaran tertutup-menghasilkan oksigen baru, mendaur ulang oksigen dari aliran limbah, menyimpan kelebihan oksigen untuk keadaan darurat, dan mendistribusikannya secara merata ke seluruh modul stasiun.
2. Sistem Pembangkit Oksigen (OGS)
Sumber oksigen utama ISS adalahSistem Pembangkit Oksigen (OGS), pengaturan modular yang dikembangkan oleh NASA dan Roscosmos Rusia (dengan kontribusi dari Badan Antariksa Eropa, ESA, dan Badan Eksplorasi Dirgantara Jepang, JAXA). OGS menggunakanelektrolisa-proses kimia yang sama yang digunakan di beberapa-generator oksigen berbasis Bumi-untuk memisahkan air (H₂O) menjadi oksigen (O₂) dan hidrogen (H₂). Berikut rincian rinci komponen dan pengoperasiannya:
2.1 Komponen OGS
OGS terdiri dari tiga subsistem utama, masing-masing dengan perangkat keras khusus:
Majelis Pengolahan Air (WPA): Sebelum elektrolisis, air harus dimurnikan untuk menghilangkan kontaminan (misalnya garam, bahan organik) yang dapat merusak elektroda OGS. WPA mengumpulkan air dari tiga sumber:
Air Daur Ulang: Kondensasi dari udara stasiun (uap air dari respirasi dan keringat), air limbah yang telah diolah (misalnya dari wastafel, pancuran), dan urin (diproses oleh Unit Pengolahan Urin, UPA).
Pasokan Air: Air dikirim melalui pesawat ruang angkasa kargo (misalnya, Dragon milik SpaceX, Cygnus milik Northrop Grumman) sebagai cadangan ketika sistem daur ulang gagal.
Air Sel Bahan Bakar: Produk sampingan dari sel bahan bakar bekas stasiun (digunakan untuk menghasilkan listrik sebelum pemasangan panel surya). Meskipun sel bahan bakar tidak lagi menjadi sumber tenaga utama, sisa airnya masih digunakan jika tersedia.
Modul Elektrolisis (EM): Inti dari OGS, EM berisi duaSel Elektrolisis Oksida Padat (SOECs)-perangkat canggih yang menggunakan suhu tinggi (600–800 derajat ) untuk memisahkan air menjadi oksigen dan hidrogen. Berbeda dengan sistem elektrolisis tradisional (yang menggunakan elektrolit cair), SOEC menggunakan elektrolit keramik padat yang lebih efisien, kompak, dan tahan lama di ruang angkasa. Begini cara kerjanya:
Air murni dimasukkan ke dalam SOEC sebagai uap (diuapkan untuk meningkatkan efisiensi).
Arus listrik (dari susunan surya ISS) dialirkan ke elektroda SOEC (anoda dan katoda).
Di anoda, uap bereaksi dengan elektrolit keramik menghasilkan gas oksigen (O₂), elektron, dan ion hidrogen (H⁺).
Elektron mengalir melalui sirkuit eksternal (menghasilkan sejumlah kecil listrik tambahan), sementara ion hidrogen bergerak melalui elektrolit menuju katoda.
Di katoda, ion hidrogen bergabung dengan elektron membentuk gas hidrogen (H₂).
Subsistem Penanganan Oksigen (OHS): Setelah produksi, oksigen dari EM diproses dan didistribusikan:
Pendinginan: Gas oksigen panas (dari SOEC) didinginkan hingga suhu kamar menggunakan penukar panas (terhubung ke sistem kontrol termal ISS).
Pengeringan: Uap air yang tersisa dihilangkan menggunakan saringan molekuler (mirip dengan yang ada di konsentrator oksigen berbasis Bumi) untuk mencegah kondensasi di pipa stasiun.
Distribusi: Oksigen kering dan murni (kemurnian 99,999%) dikirim ke atmosfer ISS melalui jaringan katup dan pipa, bercampur dengan udara yang ada untuk mempertahankan konsentrasi 21%.
Ventilasi Hidrogen: Produk sampingan hidrogen tidak digunakan oleh ISS (karena stasiun ini menggunakan tenaga surya, bukan sel bahan bakar hidrogen) dan dibuang ke luar angkasa. Inilah perbedaan utama dengan stasiun luar angkasa awal seperti Mir, yang menggunakan hidrogen untuk menghasilkan listrik.
2.2 Efisiensi dan Kapasitas OGS
OGS dirancang untuk memenuhi kebutuhan oksigen harian ISS, yaitu ~0,84 kilogram (kg) per astronot (setara dengan ~588 liter gas oksigen pada 1 atm). Untuk awak 7 orang, totalnya ~5,88 kg oksigen per hari. Metrik kinerja utama OGS meliputi:
Tingkat Produksi: Setiap SOEC dapat menghasilkan ~0,5 kg oksigen per hari, sehingga kedua SOEC tersebut bersama-sama menghasilkan ~1 kg per hari. Namun, sistem ini dioperasikan dalam mode staggered (satu SOEC aktif, satu lagi dalam keadaan siaga) untuk mengurangi keausan, sehingga menghasilkan produksi bersih ~0,5 kg per hari. Ini berarti OGS saja tidak dapat memenuhi seluruh permintaan kru-sehingga diperlukan sumber oksigen tambahan (lihat Bagian 3).
Efisiensi Energi: SOEC sangat efisien, mengubah ~80% energi listrik menjadi oksigen (dibandingkan dengan ~60% untuk sistem elektrolisis tradisional). Hal ini penting karena susunan tenaga surya ISS memiliki kapasitas terbatas (~120 kilowatt, kW, daya untuk semua sistem).
Keandalan: OGS memiliki umur desain 15 tahun (diperpanjang dari 10 tahun semula) dan mencakup komponen redundan (misalnya, SOEC cadangan, katup) untuk mencegah kegagalan. Sejak dipasang pada tahun 2008 (sebagai bagian dari modul Node 3 ISS, Tranquility), OGS hanya mengalami masalah kecil (misalnya filter air tersumbat) yang dapat diselesaikan melalui pemecahan masalah jarak jauh.
3. Sistem Cadangan dan Tambahan
Meskipun OGS adalah sumber oksigen utama, ISS mengandalkan tiga sistem sekunder untuk memastikan pasokan yang berkelanjutan-penting ketika OGS mengalami malfungsi atau selama permintaan puncak (misalnya, ketika jumlah awak bertambah sementara).
3.1 Tangki Oksigen Bertekanan (Segmen Rusia)
Segmen Rusia (RS) ISS-yang mencakup modul seperti Zvezda (Modul Layanan) dan Nauka (Modul Laboratorium Serbaguna)-menggunakantangki oksigen bertekanansebagai cadangan. Tank-tank tersebut adalah:
Desain: Tangki silinder terbuat dari paduan titanium (untuk menahan tekanan tinggi dan radiasi ruang angkasa) dengan kapasitas masing-masing ~40 liter. Mereka menyimpan oksigen sebagai-gas bertekanan tinggi (3.000 psi, atau 20,7 MPa)-jenis yang sama yang digunakan dalam tangki scuba berbasis Bumi-tetapi dimodifikasi untuk ruang angkasa.
Memasok: Tank dikirim ke ISS melalui pesawat ruang angkasa kargo Rusia (misalnya, Progress) dan dipasang ke port eksternal RS. Setiap misi Kemajuan membawa 2–3 tank, menyediakan ~100–150 kg oksigen per misi (cukup untuk mendukung 7 awak selama ~20–25 hari).
Penyebaran: Ketika OGS gagal, sistem pendukung kehidupan RS membuka katup untuk melepaskan oksigen dari tangki ke atmosfer stasiun. Tank-tank tersebut juga digunakan selama perjalanan luar angkasa (EVA, Extravehicular Activity) untuk memasok oksigen ke pakaian antariksa astronot.
3.2 Lilin Oksigen (Generator Oksigen Kimia)
Untuk situasi darurat (misalnya, kegagalan OGS besar yang dikombinasikan dengan penundaan pasokan kargo), ISS menggunakanlilin oksigen-generator kompak berbasis kimia-yang menghasilkan oksigen melalui reaksi termal. Lilin-lilin ini adalah:
Komposisi: Setiap lilin merupakan blok padat natrium klorat (NaClO₃) yang dicampur dengan katalis (misalnya serbuk besi) dan bahan bakar (misalnya aluminium). Saat dinyalakan, natrium klorat terurai pada suhu tinggi (500–600 derajat ) menghasilkan gas oksigen dan natrium klorida (garam meja).
Kapasitas: Satu lilin (dengan berat ~1 kg) menghasilkan ~60 liter oksigen (cukup untuk satu astronot selama ~10 jam). ISS membawa ~100 lilin, disimpan dalam wadah tahan api di setiap modul (misalnya, Zarya, Unity) untuk memudahkan akses.
Keamanan: Lilin oksigen dirancang agar aman di luar angkasa-lilin tersebut tidak menghasilkan nyala api terbuka (hanya panas) dan produk samping natrium klorida tidak-beracun (dikumpulkan dalam filter dan kemudian dibuang selama misi kargo). Namun, ini hanya digunakan sebagai upaya terakhir karena kapasitasnya yang terbatas dan perlunya aktivasi manual.
3.3 Bantuan Hidup Regeneratif: Mendaur Ulang Oksigen dari CO₂
ISSSistem Pengendalian Lingkungan dan Pendukung Kehidupan (ECLSS)mencakup komponen regeneratif yang mendaur ulang oksigen dari CO₂-mengurangi kebutuhan produksi oksigen baru. Ini dilakukan melaluiMajelis Penghilang Karbon Dioksida (CDRA)(Segmen AS) danSistem Vozdukh(Segmen Rusia):
CDRA (Segmen AS): Menggunakan proses dua-langkah yang disebutdesorpsi air amina padatuntuk menghilangkan CO₂ dan menghasilkan oksigen:
Adsorpsi CO₂: Udara dari ISS dipompa melalui lapisan amina padat (senyawa kimia yang mengikat CO₂). Amina memerangkap CO₂, sementara udara bersih (tanpa CO₂) dikembalikan ke stasiun.
Desorpsi dan Produksi Oksigen: Ketika lapisan amina jenuh, ia dipanaskan untuk melepaskan CO₂ yang terperangkap. CO₂ kemudian direaksikan dengan hidrogen (dari proses elektrolisis OGS) dalam aReaktor Sabatier(komponen ECLSS lainnya) menghasilkan air (H₂O) dan metana (CH₄). Air kemudian dikirim ke OGS untuk dipecah menjadi oksigen dan hidrogen, menciptakan loop tertutup.
Sistem Vozdukh (Segmen Rusia): Menggunakan proses serupa tetapi dengan bahan kimia berbeda (litium hidroksida, LiOH) untuk menyerap CO₂. Berbeda dengan CDRA, Sistem Vozdukh tidak mendaur ulang CO₂ menjadi oksigen-sebaliknya, LiOH dibuang setelah menjadi jenuh (diganti melalui misi kargo). Namun, ini lebih sederhana dan lebih dapat diandalkan dibandingkan CDRA, menjadikannya cadangan yang berharga.
Sistem regeneratif mengurangi kebutuhan oksigen ISS sebesar ~40%-peningkatan efisiensi penting yang meminimalkan kebutuhan misi pasokan ulang. Misalnya, tanpa daur ulang, stasiun tersebut akan membutuhkan ~9,8 kg oksigen per hari untuk 7 astronot; dengan daur ulang, jumlahnya turun menjadi ~5,88 kg.
4. Memastikan Ketahanan dalam Keadaan Darurat
Selain sumber sekunder, ISS telah mendedikasikan sistem penyimpanan oksigen untuk menangani permintaan puncak dan keadaan darurat. Sistem ini dirancang untuk menyimpan oksigen dalam dua bentuk:-gas dan cairan bertekanan tinggi.
4.1 Penyimpanan Gas-Bertekanan Tinggi (Segmen AS)
Segmen ASTangki Bensin-Bertekanan Tinggiterletak di modul Node 1 (Unity) dan Node 3 (Tranquility). Tank-tank ini:
Desain: Tangki berbentuk bola terbuat dari Inconel (paduan nikel-kromium yang tahan terhadap korosi dan suhu tinggi) dengan kapasitas masing-masing ~150 liter. Tangki ini menyimpan oksigen pada 6.000 psi (41,4 MPa)-dua kali tekanan tangki Segmen Rusia-memungkinkan lebih banyak oksigen disimpan di ruang yang lebih kecil.
Kapasitas: Setiap tangki menampung ~100 kg oksigen (cukup untuk 7 astronot selama ~17 hari). Segmen AS memiliki 4 tank seperti itu, menyediakan total cadangan ~400 kg (cukup untuk ~68 hari).
Kasus Penggunaan: Tangki-tangki ini digunakan untuk melengkapi OGS selama kebutuhan puncak (misalnya, ketika dua astronot sedang berjalan di luar angkasa, meningkatkan konsumsi oksigen sebesar ~50%) dan sebagai cadangan jika OGS gagal. Mereka juga digunakan untuk memberi tekanan ulang pada stasiun setelah berjalan di luar angkasa (karena sebagian udara hilang selama EVA).
4.2 Penyimpanan Oksigen Cair (LOX) (Hanya Darurat)
Untuk-keadaan darurat jangka panjang (misalnya, kegagalan OGS-bulan), ISS dapat menyimpanoksigen cair (LOX)-bentuk yang sama yang digunakan pada bahan bakar roket. LOX disimpan di:
Desain: Tangki-berdinding ganda dengan lapisan isolasi vakum untuk menjaga LOX pada -183 derajat (titik didihnya pada 1 atm). Tangki-tangki tersebut berukuran kecil (masing-masing ~50 liter) karena terbatasnya ruang di stasiun.
Kapasitas: Tangki LOX berukuran 50 liter menampung ~60 kg oksigen (karena LOX memiliki kepadatan 1,141 kg/L), cukup untuk 7 astronot selama ~10 hari. ISS memiliki 2 tangki seperti itu, yang menyediakan total ~120 kg (cukup untuk ~20 hari).
Tantangan: Menyimpan LOX di luar angkasa sulit dilakukan karena suhu stasiun berfluktuasi (dari -120 derajat di tempat teduh hingga 120 derajat di bawah sinar matahari), menyebabkan sebagian LOX mendidih (menguap). Untuk meminimalkan proses pendidihan, tangki dilengkapi dengan pemanas yang mengatur suhu dan katup pelepas tekanan yang mengeluarkan gas berlebih (yang kemudian ditangkap dan digunakan di atmosfer stasiun).
5. Memastikan Pasokan Seragam di Seluruh Modul
ISS adalah jaringan kompleks yang terdiri dari 16 modul (per 2024), termasuk tempat tinggal (misalnya, Crew Quarters), laboratorium (misalnya, Columbus, Kibo), dan modul layanan (misalnya, Zvezda, Nauka). Untuk memastikan setiap modul memiliki konsentrasi oksigen 21% yang konsisten, stasiun menggunakan asistem distribusi terpusatdengan komponen berikut:
5.1 Kipas Sirkulasi Udara
Setiap modul memiliki 4–6kipas sirkulasi udarayang menggerakkan udara dengan kecepatan ~1 meter kubik per menit. Penggemar ini:
Cegah kantong udara stagnan (yang dapat menyebabkan rendahnya kadar oksigen di sudut modul).
Campurkan oksigen yang baru diproduksi dengan udara yang ada untuk mempertahankan konsentrasi 21%.
Dorong udara melalui sistem CDRA/Vozdukh untuk menghilangkan CO₂ dan kontaminan.
Kipas angin sangat penting karena, dalam gayaberat mikro (tanpa bobot), udara tidak bersirkulasi secara alami (seperti yang terjadi di Bumi akibat konveksi). Tanpa kipas angin, astronot bisa mengalami hipoksia di area yang jauh dari sumber oksigen.
5.2 Katup dan Pipa
Sebuah jaringanpipa baja tahan karat(diameter 2–4 inci) menghubungkan OGS, tangki penyimpanan, dan modul. Setiap pipa dilengkapi dengan:
Katup Solenoid: Katup yang dikontrol secara elektrik yang membuka dan menutup untuk mengatur aliran oksigen. Katup-katup ini bersifat mubazir (setiap pipa mempunyai dua katup) untuk mencegah kebocoran.
Sensor Tekanan: Pantau tekanan di dalam pipa untuk memastikannya sesuai dengan tekanan atmosfer stasiun (101,3 kPa). Jika tekanan turun (misalnya karena kebocoran), sensor akan memicu alarm dan menutup katup yang terkena dampak.
Filter: Menghilangkan debu dan kotoran dari oksigen untuk mencegah kerusakan pada kipas dan sistem pendukung kehidupan.
5.3 Modul-Regulator Khusus
Setiap modul memilikipengatur tekananyang menyesuaikan aliran oksigen ke dalam modul berdasarkan ukuran dan huniannya. Misalnya:
Modul kecil (misalnya, Crew Quarters, yang berukuran ~10 meter kubik) memerlukan laju aliran yang lebih rendah (~0,1 kg oksigen per hari) dibandingkan modul besar (misalnya, Laboratorium Columbus, yang berukuran ~75 meter kubik, membutuhkan ~0,5 kg per hari).
Regulator juga memastikan bahwa tekanan modul tetap pada 101,3 kPa, bahkan jika modul lain diberi tekanan ulang (misalnya, setelah berjalan di luar angkasa).
