Question:
Serait-il possible de produire une atmosphère non toxique en utilisant un feu de charbon et de l'oxygène congelé?
Michael Borgwardt
2014-01-11 19:58:35 UTC
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A Pail of Air est une nouvelle de science-fiction classique de Fritz Leiber de 1951 décrivant comment une famille survit sur une Terre qui a quitté son orbite autour du soleil, en utilisant des méthodes désespérées de basse technologie: un abri isolé par de nombreuses couches de couvertures et un feu de charbon pour décongeler l'oxygène congelé rassemblé dans les seaux éponymes.

Je suis curieux de voir à quel point ce scénario est réaliste d'un point de vue de la chimie et de la biologie de base. Je ne pense pas pour plusieurs raisons, mais je n'en sais pas assez pour quantifier ces facteurs:

  • Un feu de charbon produirait-il suffisamment d'énergie pour dégeler l'oxygène utilisé par le feu?
  • L'atmosphère résultante (à une pression suffisante pour que l'oxygène puisse soutenir la vie humaine) contiendrait-elle des niveaux toxiques de dioxyde de carbone?
  • ... ou de monoxyde de carbone?
  • Comment l'oxygène à des pressions plus basses affectent l'inflammabilité? Est-ce que tout cela ne monterait pas en flammes à la baisse d'un chapeau?
Oxygène congelé? L'oxygène se transforme en gaz à environ la température de l'azote liquide, donc un feu de charbon le ferait fondre à coup sûr. Cependant, l'oxygène liquide est hautement inflammable et hautement explosif, donc ce que je vois se passer avec la fusion de l'oxygène solide avec un feu de charbon est une explosion massive.
La question la plus importante n'est probablement pas la compassion de l'atmosphère, mais s'il est possible de * contenir * une atmosphère à n'importe quelle pression raisonnable. Utiliser des couvertures pour contenir tout ce qui est susceptible de retenir la pression atmosphérique serait un plus grand défi que de s'assurer qu'il n'y a pas trop de CO et de CO2. Si vous le pouviez, tous les autres problèmes seraient beaucoup moins importants.
@matt_black: Je ne suis pas d'accord - le maintien de la pression (surtout lorsqu'il s'agit principalement d'oxygène et quelque chose comme 0,15 atm pourrait être suffisant) est un problème résoluble grâce à une ingénierie de basse technologie, mais les préoccupations que j'ai énumérées ci-dessus pourraient prouver que la méthode au cœur de la stratégie de survie est fondamentalement invalide .
Trois réponses:
#1
+4
tschoppi
2014-02-09 19:44:44 UTC
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Résumé

D'accord, donc après avoir sérieusement analysé les chiffres et recherché des valeurs littéraires partout sur le Web, je suis arrivé à la conclusion suivante: Oui, il est possible de survivre dans ces conditions!

Plausibilité de l'environnement

Tout d'abord, examinons la plausibilité de l'environnement qui est décrite dans la nouvelle. En dehors de la sécurité de l'espace de vie, bouclé par une trentaine de couvertures, doublées de papier d'aluminium, il y a un vide, et tous les gaz de l'atmosphère ont gelé et précipité à la surface de la Terre. L'exception est l'hélium, qui est encore liquide. Si nous vérifions le diagramme de phase de l'oxygène (notez que dans la figure ci-dessous il faudrait regarder la pression de 0,001), nous voyons qu'en effet c'est possible:

Phase diagram of oxygen

( Source)

Maintien de la pression

La pression minimale dont les humains ont besoin pour survivre (tout en respirant de l'oxygène pur) est fixée à environ 19 kPa, arrondissons cela à 20 kPa (0,2 atm). Supposons en outre que l'espace où vit cette petite famille soit environ 3 $ \ fois 3 \ fois 2 ~ \ mathrm {m ^ 3} = 18 ~ \ mathrm {m ^ 3} $. En ajoutant le facteur d'une température suffisamment confortable (je plume qu'à 15 $ ~ \ mathrm {° C} = 288 ~ \ mathrm {K} $), nous pouvons utiliser la loi des gaz parfaits: $$ pV = nRT \ Longleftrightarrow n = \ frac {pV} {RT} = 150 ~ \ mathrm {mol \, \ ce {O2}} $$

Nous avons donc besoin de 150 $ ~ \ mathrm {mol} $ de gaz constamment afin de maintenir la pressurisation à la température souhaitée. Si 30 tapis lourds peuvent vraiment faire cela, je vais laisser à un physicien expérimental.

Appauvrissement en oxygène

Le feu n'est pas la seule source d'épuisement en oxygène, les humains habitant le petit espace utiliseront également de l'oxygène. En utilisant ces données, un être humain adulte moyen consommera 22,5 $ ~ \ mathrm {mol} $ $ \ ce {O2} $ par jour. Nous arrondirons donc cela à 70 $ ~ \ mathrm {mol \, d ^ {- 1}} $ pour toute la famille (2 adultes, 2 enfants). Ceci est déjà corrigé pour l'expiration d'oxygène, donc le système génère une quantité égale de $ \ ce {CO2} $.

Balance totale en oxygène et chaleur requise

La seule source d'oxygène est le seau au-dessus du feu, dans lequel l'oxygène solide est chauffé jusqu'au point d'ébullition (qui, à 20 kPa est de 77,1 K, voir figure ci-dessous; source de données: NIST), puis à la température ambiante . Density vs T of Oxygen at 0.2 kPa

Voici quelques-unes des constantes que j'ai utilisées pour le calcul suivant: $ c_ \ text {p} = 54 ~ \ mathrm {J \, mol ^ {- 1} \, K ^ { -1}} $ pour le liquide et $ c_ \ text {p} = 29 ~ \ mathrm {J \, mol ^ {- 1} \, K ^ {- 1}} $ pour la phase vapeur avec $ \ Delta H_ \ text {vap} (77.1 ~ \ mathrm {K}, \; 20 ~ \ mathrm {kPa}) = 7.19 ~ \ mathrm {kJ \, mol ^ {- 1}} $. La chaleur de fusion (à la pression standard, mais prenons simplement cette valeur de Wikipedia) est de 0,445 $ ~ \ mathrm {kJ \, mol ^ {- 1}} $, et la capacité thermique du solide I estimé à 25 $ ~ \ mathrm {J \, mol ^ {- 1} \, K ^ {- 1}} $. La température initiale est $ T_ \ text {i} = 5 ~ \ mathrm {K} $, température de fusion (encore une fois pour la pression standard, mais nous la prendrons) $ T_ \ text {m} = 54 ~ \ mathrm {K} $, le point d'ébullition est donné ci-dessus et la température finale est de 288 $ ~ \ mathrm {K} $.

La chaleur totale nécessaire pour chauffer 150 $ ~ \ mathrm {mol \, \ ce {O2}} $ est $ q_ \ text {tot, 150} = 2,43 ~ \ mathrm {MJ} $.

En utilisant la formule donnée dans l'article Calculs du taux de dégagement de chaleur par consommation d'oxygène pour diverses applications, je me retrouve avec $ \ dot {V} = 0,177 ~ \ mathrm {m ^ 3 \, d ^ {- 1}} $, pour un coefficient de déplétion en oxygène de 0,8 $ dans une atmosphère pure d'oxygène ($ x_ \ mathrm {\ ce {O2}} ^ 0 = 1 $, la pression standard est supposée dans la formule). Cela représente environ 1% du volume total de l'anse et n'est également nécessaire que pour la pressurisation initiale. Cependant, comme les habitants produisent également des $ \ ce {CO2} $ à des niveaux non négligeables, et que la concentration dudit gaz doit rester inférieure à 2% pour une respiration normale et pour éviter la sensation de vertige, nous besoin d'augmenter le taux de génération d'oxygène.

Donc, pour faire fonctionner tout ce système avec $ x (\ ce {CO2}) < 1.5 ~ \% $, nous devons générer 4700 mol $ \ ce {O2} $ chaque jour (et ceci est sans même regarder la génération $ \ ce {CO2} $ par le feu).

Il est inévitable que les gaz d'échappement du feu soient évacués par la cheminée (cela est également décrit dans l'histoire ) sans grand mélange avec l'air de la pièce. Mais dans l'ensemble, la génération de chaleur est possible (l'oxygène nécessaire pour chauffer les 4700 mol à la température n'est que de 46 mol), ce qui en fait un climat survivant.

Conclusion

Par les calculs basés sur l'estimation ci-dessus et compte tenu des limitations, je conclus qu'il serait en effet concevable de survivre dans ces conditions.

Cela m'a pris du temps (je réfléchis à la réponse depuis si longtemps, j'ai décidé de calculer les valeurs juste pour être sûr), mais finalement ma réponse est ici!
Réponse géniale! Donc, si je comprends bien, il faudrait générer beaucoup plus d'oxygène que ce dont les humains ont besoin pour survivre, principalement pour maintenir le CO2 qu'ils expirent en dessous des niveaux toxiques. Mais c'est très bon pour la plausibilité du scénario car il y aura de toute façon beaucoup de fuites. Cela laisse l'inflammabilité comme une préoccupation majeure, ainsi que la quantité de charbon nécessaire - plus de 37 kg par jour, plus de 13 tonnes par an. Mais je pense que l'aspect le moins réaliste peut être autre chose - la construction d'une combinaison de pression improvisée pour transporter l'oxygène.
Quant à la fuite ... $ \ ce {CO2} $ a une densité plus élevée (0,37 $ ~ \ mathrm {kg \, m ^ {- 3}} $ vs 0,27 $ ~ \ mathrm {kg \, m ^ {- 3} } $ à 20 kPa), il serait donc très avantageux de positionner la fuite au point le plus bas de la pièce.
Une sorte de culture hydroponique intensive aiderait, en convertissant du CO2 supplémentaire en O2. Vraisemblablement, ils en ont besoin de toute façon pour produire de la nourriture.
#2
+4
Ben A. Noone
2014-02-08 03:14:02 UTC
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Oui, il est possible de produire une atmosphère non toxique en utilisant un feu de charbon et de l'oxygène congelé.

Je répondrai à vos questions du dernier au premier.

Non, l'oxygène à basse pression n'aggravera pas l'inflammabilité, les incendies nécessitent quelque chose pour se lier à l'oxygène (souvent du carbone, provoquant du dioxyde de carbone). La basse pression rendra les choses moins inflammables car il y a moins d'oxygène avec lequel se lier.

Oui, l'utilisation d'un feu de charbon ouvert dans un espace semi-fermé augmentera des niveaux toxiques de dioxyde de carbone, de monoxyde de carbone et de dioxyde de soufre ( parmi quelques autres) rapidement. Cependant, une modification mineure d'un feu ouvert à un feu dans un poêle à cheminée à l'ancienne (évacuer à l'extérieur de la cabane) éliminerait cela.

Enfin, certainement oui, un feu de charbon produira plus qu'assez d'énergie pour décongeler l'oxygène qu'il utilise. Pour citer les chiffres, 1 livre de charbon produira environ 12500 btu (British Thermal Units) En supposant que la température de l'oxygène congelé que nous décongelons est de -455 ° F (la "température de l'espace lointain") et d'environ 3 degrés en dessous de la température de congélation de hélium. Pour décongeler 1 gallon d'oxygène congelé, il faudra environ 900 btu (si votre poêle a une efficacité de 80%) et produire 860 gallons d'oxygène pur à 80 ° F et à la pression atmosphérique. Le charbon consommera 140% de son poids en oxygène pur, donc pour 1 livre de charbon, 135 gallons de votre oxygène seront consommés. Vous laissant avec 11 500 btu de chaleur supplémentaire et 725 gallons d'oxygène. L'Homme moyen consomme 25 gallons d'oxygène par jour, ce qui en fait beaucoup pour survivre.

C'est exactement ce que je cherchais! Génial de voir que cela fonctionnerait au moins en théorie ...
#3
+1
Azzie Rogers
2014-02-06 08:26:05 UTC
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Non, il ne serait pas possible d'utiliser un feu de charbon et de l'oxygène congelé pour créer une atmosphère capable de maintenir la vie pendant une durée prolongée.

Oxygène liquide, bien que non explosif ou inflammable par lui-même , se mélangerait à la suie dégagée par le feu de charbon et créerait un mélange hautement explosif.

De plus, un feu de charbon dégage des quantités toxiques de dioxyde de carbone et potentiellement d'autres gaz. Sans parler de la suie, qui étoufferait rapidement quiconque la respirerait.

Je le pense aussi, mais ce que je recherche vraiment, ce sont des chiffres concrets concernant la toxicité et le budget énergétique. Je vois l'oxygène liquide et la suie comme une distraction par rapport à la question fondamentale, car s'assurer que le feu produit une quantité minimale de suie et que l'oxygène est contenu alors qu'il est liquide ne devrait pas être trop dur, même avec des méthodes peu technologiques.
Désolé, je pensais que vous disiez comment ils le font dans le livre.


Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
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