Lechos de zeolita y tamices moleculares

Sistema de adsorción por cambio de presión (PSA) para la captura continua de dióxido de carbono y la purificación de nitrógeno en módulos presurizados.

Los archivos describían este sistema como el pulmón químico del hábitat: sin él, la concentración de CO₂ en el aire habría subido hasta niveles tóxicos en pocas horas.

Objetivo

Mantener la concentración de dióxido de carbono por debajo del 0.4% en el aire interior de los módulos habitables, y generar una corriente de nitrógeno con pureza suficiente para su uso en presurización de emergencia, inertización de depósitos y como atmósfera de soldadura en el taller mecánico.

El sistema operaba de forma continua, con dos lechos gemelos en ciclo alterno: uno adsorbiendo mientras el otro se regeneraba. El cambio entre lechos se producía cada 5-8 minutos según la carga de ocupantes.

Protocolo

Materiales

• Zeolita 13X — tamiz molecular de aluminosilicato con poros de 10 Å, preferida para captura de CO₂ por su alta afinidad con moléculas polares.
• Zeolita 5A — poros de 5 Å, usada como segunda etapa para retención de humedad residual y trazas de nitrógeno.
• Alúmina activada — capa de pretratamiento para eliminar vapor de agua antes del lecho principal.
• Carbón activado — capa final para retención de compuestos orgánicos volátiles y olores.
• Válvulas de solenoide — con juntas de Viton para soportar ciclos rápidos de presión.
• Depósito de compensación — para amortiguar las fluctuaciones de presión entre ciclos.

Proceso

1. Entrada de aire del módulo — un ventilador de baja presión introduce el aire viciado en la torre de pretratamiento.

2. Deshumidificación — la alúmina activada retiene la humedad antes de que llegue al lecho de zeolita, porque el agua compite con el CO₂ por los sitios de adsorción.

3. Adsorción de CO₂ — el aire atraviesa el lecho de zeolita 13X a 1.2 bar. La zeolita captura el CO₂ y deja pasar el nitrógeno y el oxígeno.

4. Purga de nitrógeno — la corriente de salida, rica en N₂ y O₂, se divide: una parte vuelve al módulo y otra se almacena para usos industriales.

5. Regeneración — cuando el lecho se satura, se despresuriza rápidamente hasta 0.05 bar. El CO₂ atrapado se libera y se evacúa al exterior o se almacena para su uso en cultivos hidropónicos.

6. Enfriamiento — el lecho regenerado se enfría antes de volver al ciclo de adsorción.

7. Ciclo alterno — mientras un lecho adsorbe, el otro se regenera. El ciclo completo dura entre 5 y 8 minutos por lecho.

Limitaciones

• Envenenamiento por humedad — si la alúmina de pretratamiento se satura, la zeolita pierde eficacia rápidamente. Requería regeneración de la alúmina cada 200 horas de operación.
• Sensibilidad a la temperatura — por encima de 40 °C, la capacidad de adsorción caía hasta un 30%. Los módulos debían mantener el sistema en zona térmica controlada.
• Degradación del tamiz — tras 3000-4000 ciclos, la zeolita perdía entre un 15% y un 25% de su capacidad. Se reemplazaba por lotes, no de golpe.
• Consumo energético — el ciclo PSA requiere energía para comprimir y despresurizar. En modo continuo, el sistema consumía entre 800 W y 1.2 kW según la carga.
• Polvo fino — la manipulación de zeolita generaba polvo abrasivo que podía dañar las válvulas de solenoide. Los talleres usaban mascarillas filtrantes durante el mantenimiento.
• Dependencia de repuestos — las válvulas de Viton eran importadas y difíciles de sustituir. Los talleres las reparaban con juntas de silicona local, con menor vida útil.

Enlaces

• MELiSSA — Ciclo biológico de soporte vital
• Reacción de Sabatier y electrólisis hídrica
• Circuitos cerrados de recirculación de aire
• Soporte de emergencia y reservas de aire
• Válvulas y alivio de presión
• Hidroponía de ciclo cerrado — uso de CO₂ capturado