Air Separation Unit. Как он работает и какую пользу приносит для программы Starship. Пятничный Лонгрид #25

Космическая программа SpaceX Starship известна своими грандиозными ракетами и смелыми планами колонизации, но за кулисами ее успеха стоят не только сами ракеты, но и инфраструктура на земле. Одна из мало заметных, но ключевых частей этой инфраструктуры – воздухоразделительная установка. Проще говоря, это «кислородный завод», который добывает жидкий кислород и азот буквально из воздуха. Звучит футуристично? На самом деле принципы такой установки известны уже более ста лет – еще в 1895 году немецкий инженер Карл Линде впервые получил кислород из воздуха методом ректификации. С тех пор технологии шагнули далеко вперед, и теперь SpaceX строит собственную воздухоразделительную установку на своем полигоне Starbase в Техасе.

Для чего нужна такая установка Starship? Дело в том, что каждый старт гигантского ракетоносителя требует колоссального количества криогенных жидкостей. Ракета Starship использует в качестве топлива жидкий метан в паре с жидким кислородом, причем окислитель (кислород) составляет около 78% массы всего топлива. Кроме того, жидкий азот используется для испытаний (например, холодных заправочных тестов, охлаждения и продувки систем). Обеспечить такие объемы привозными цистернами крайне сложно ведь на один запуск Starship уходит более 200 автоцистерн с жидким кислородом и азотом! Именно поэтому компания решила «делать воздух» самостоятельно, построив завод по разделению воздуха прямо рядом со стартовой площадкой. Ниже разберемся, что из себя представляет воздухоразделительная установка, как она работает и какую пользу принесет Starship.

Что такое воздухоразделительная установка?

Воздухоразделительная установка (ВРУ, англ. Air Separation Unit, ASU) – это промышленный комплекс, который разделяет атмосферный воздух на основные компоненты: жидкий кислород (O₂), азот (N₂) и обычно также аргон (Ar). По сути, такая установка выполняет роль своего рода криогенного нефтеперерабатывающего завода, только вместо нефти сырьем служит воздух ВРУ всасывает обычный воздух, охлаждает его до экстремально низкой температуры, пока он не сконденсируется в жидкость, а затем путем низкотемпературной ректификации (фракционной перегонки) разделяет жидкий воздух на отдельные газы. На выходе получаются чистые продукты – в нашем случае главным образом жидкий кислород и жидкий азот (а в больших установках попутно можно выделять и аргон, и даже неон с ксеноном).

Жидкий кислород представляет особую ценность для ракет – это мощный окислитель, необходимый для сжигания топлива в двигателях. Жидкий азот непосредственно в полете не используется, но крайне важен для наземных операций: им охлаждают топливо, продувают и тестируют баки, имитируя криогенные условия, и обеспечивают инертную среду при испытаниях. Оба этих компонента – O₂ и N₂ – жизненно необходимы для программы Starship, поэтому наличие собственного источника их производства на полигоне дает SpaceX огромные преимущества.

Принцип работы воздухоразделительной установки

Принцип действия ВРУ базируется на различии физических свойств газов в воздухе – прежде всего различии температур кипения. Например, азот кипит при ≈–196 °C, а кислород при ≈–183 °C. Это означает, что при определенном охлаждении азот и кислород можно разделить: один будет переходить в жидкость, пока другой остается газом, и наоборот. Современные установки используют многоступенчатый криогенный цикл Линде (названный в честь Карла Линде) с компрессией, расширением и теплообменом, чтобы сжижать воздухru.wikipedia.org. Затем жидкий воздух поступает в систему ректификационных колонн, где и происходит разделение на фракции.

В упрощенном виде процесс можно описать в несколько этапов:

Атмосферный воздух засасывается компрессорами через фильтры. На этом этапе из него удаляется пыль, влага, углекислый газ и примеси углеводородов – иначе при охлаждении они превратились бы в лед или твердые отложения.
Очищенный воздух сжимается компрессором до высокого давления и проходит через серию теплообменников, где его температура понижается за счет встречных потоков уже охлажденных газов. Используется принцип дросселирования и/или турбо-детандера: при резком расширении в турбине воздух охлаждается еще больше. В итоге значительная часть воздуха конденсируется в жидкость при температуре около –190 °C.
Жидкий воздух поступает в нижнюю ректификационную колонну. Здесь благодаря разнице температур кипения происходит разделение: из верхней части колонны выходит почти чистый газообразный азот (~99.9% N₂), а внизу собирается жидкая кислородно-азотная смесь, обогащенная кислородом (примерно 35% O₂, 2% Ar, остальное азот). Эта жидкость затем направляется во вторую, верхнюю колонну, для довыделения кислорода. В верх колонны подается жидкий азот (для орошения и создания противотока). В процессе ректификации из верхней колонны отбирается чистый газообразный азот, а на дне накапливается чистый жидкий кислород. Если установка спроектирована и для производства аргона, то добавляются дополнительные колонны для сырого и чистого аргона – этот газ выделяется из кислородной фракции побочным путем.
Полученные криогенные жидкости отводятся из колонн: жидкий кислород собирается в резервуарах (криоцистернах) для хранения, жидкий азот – в своих емкостях. Далее эти продукты либо хранятся до использования, либо сразу подаются по изолированным трубопроводам к месту заправки ракет или к испытательным стендам. В крупных системах может параллельно отбираться аргон – например, при таком масштабе производства SpaceX получит десятки тонн жидкого аргона в день, который можно использовать для заправки ионных двигателей спутников Starlink(приятный бонус, учитывая что аргон дешевле ранее используемого криптона). Неон и гелий, присутствующие в воздухе в следовых количествах, обычно не конденсируются и постепенно выводятся из системы через специальные клапаны сброса.

Важно отметить, что работа воздухоразделительной установки требует больших энергетических затрат. Компрессоры и холодильные турбины потребляют много электроэнергии: для примера, установка, строящаяся для SpaceX, нуждается примерно в 3 МВт мощности на питание всего оборудования. Однако результат того стоит – на выходе завод ежедневно способен выдавать сотни тонн жидкого кислорода и азота. По оценкам, производительность новой установки SpaceX может достигать порядка 700 тонн жидкого O₂ в сутки. Этого достаточно, чтобы при необходимости заправлять примерно одну связку Starship + Super Heavy раз в неделю только за счет собственного кислородного производства (ведь полный запуск Starship требует около 4070 тонн O₂). Таким образом, обеспечивается базовый уровень частых стартов, а при более высоком темпе SpaceX всегда сможет пополнять запасы с помощью внешних поставок или увеличивать число таких установок.

Зачем Starship собственный «кислородный завод»?

Для традиционной космонавтики более привычна картина, когда ракеты заправляются привозными компонентами: жидкий кислород, жидкий водород, керосин и прочие пропелланты доставляются на космодром цистернами от ближайших химических комбинатов. Однако проект Starship ставит цель многократно увеличить частоту запусков и снизить их стоимость, тому же SpaceX базируется в довольно удаленном уголке Техаса. От ближайших крупных производств жидкого O₂/N₂ путь неблизкий – ранее кислород для Starbase везли за сотни миль. С появлением же собственной установки расстояние между производством и стартовой площадкой сократится с более чем 500 миль до <50 миль (то есть буквально «через дорогу»).

Наличие кислородного завода на месте дает сразу несколько выгод:

Переработка воздуха на месте означает, что десятки и сотни грузовиков больше не будут курсировать по дорогам перед каждым пуском. Это экономия топлива, времени и человеческих ресурсов. Инженеры SpaceX подсчитали, что теперь не придется гонять более 200 автоцистерн на каждый старт – вся необходимая масса криогена будет приготовлена локально. По сути, ракета будет получать оксидизатор прямо «из воздуха» на космодроме.
Когда кислород и азот доступны круглосуточно из собственного источника, можно гораздо быстрее пополнять хранилища между запусками и проводить испытания. Это критично для Starship, которую планируют запускать очень часто. Собственная установка позволит SpaceX поддерживать высокий темп стартов без оглядки на график поставок извне.
SpaceX будет сама контролировать процесс производства окислителя и инертного газа. Это уменьшает зависимость от внешних поставщиков и потенциальных сбоев. Например, погодные катаклизмы или перебои на стороннем заводе больше не остановят пусковую кампанию – у SpaceX будет стратегический запас и своя независимая фабрика топлива.
Построить большую криогенную установку – недешево (счет идет на десятки, а то и сотни миллионов долларов инвестиций). Но в долгосрочной перспективе, при сотнях запусках, это себя окупает. Один только кислород составляет значительную часть расходов на каждый старт тяжелой ракеты. Ликвидировав “кислородное горлышко” в цепочке поставок, SpaceX сокращает себестоимость запусков Starship. А учитывая, что кислород понадобится не только самим ракетам, но и, возможно, для производства топлива в будущем (например, для заправки космических заправщиков или систем жизнеобеспечения), иметь свой источник – стратегически важно.

Конечно, такая интеграция «химической промышленности» непосредственно на космодроме – шаг довольно смелый. Раньше космические компании не занимались самостоятельным производством криогенных компонентов в местах пусков – им проще было покупать у промышленности. Но SpaceX вновь ломает стереотипы. Если Илон Маск хочет запускать Starship чуть ли не каждый день, то без собственной инфраструктуры обеспечения не обойтись.

Строительство новой установки на Starbase

Идея построить кислородный завод в Бока-Чике возникла у SpaceX из практических соображений, и в 2025 году она начала воплощаться в жизнь. 9 июля 2025 года власти округа Камерон (Южный Техас) одобрили запрос SpaceX на строительство воздухоразделительной установки на принадлежащем компании участке рядом с пляжем Boca Chica. Проект вызвал некоторые споры – планировалось разместить комплекс менее чем в ста метрах от прибрежных дюн, что обеспокоило экологов и местных жителей. Тем не менее, после обсуждений комиссия дала зелёный свет строительству, при условии, что SpaceX минимизирует ущерб природе. Компания, со своей стороны, сдвинула планируемое расположение установки на несколько метров дальше от зоны растительности и пообещала компенсировать возможный урон экосистеме.

Новая воздухоразделительная установка на Starbase по своим масштабам сопоставима с небольшим заводом. Согласно заявке, комплекс включает около 20 различных сооружений на площади ~0,67 гектара. Самая заметная часть – это высокая ректификационная колонна высотой ~48 метров (примерно 15 этажей). Для сравнения, башня обслуживания для Starship имеет ~146 м в высоту, так что «кислородная башня» на ее фоне выглядит скромно, но всё же возвышается над техасской равниной. Вокруг колонны разместятся компрессорные и насосные станции, теплообменное оборудование, системы очистки воздуха и большие сферические или цилиндрические резервуары для хранения жидкого кислорода и азота. Планируется, что завод будет непосредственно подключен к системе заправки Starbase – возможно, проложены короткие криомагистрали от хранилищ к стартовому столу, что позволит закачивать компоненты без промежуточной транспортировки.

Строительство на площадке началось практически сразу после получения разрешений в июле 2025 года. Наблюдатели отмечали прибытие крупных металлических модулей и криооборудования, характерных для сборных установок Linde. К слову, Linde – мировой лидер в области промышленных газов – фигурирует в этом проекте не случайно. Пока SpaceX готовила строительство своего завода на самом космодроме, компания Linde объявила о $100-миллионных инвестициях в постройку еще одной воздухоразделительной установки в соседнем городе Браунсвиль. Этот объект, расположенный на территории индустриального парка North Brownsville (примерно в 70 км от Starbase), предназначен специально для снабжения SpaceX жидким O₂ и N₂. По сути, Linde стала партнером SpaceX, беря на себя часть обеспечения топлива. Новый завод Linde сократит расстояние доставки до Starbase с сотен миль до десятков, существенно уменьшая время в пути и издержки на логистику. Планируемая производительность там тоже внушительная, а близость к космодрому позволит при необходимости организовать быструю поставку – меньше часа езды. Инвестиции Linde принесут и пользу региону: ожидается создание порядка 90 рабочих мест, а запуск производства намечен на весну 2026 года.

Возникает вопрос: зачем SpaceX сразу две установки – своя на Starbase и внешний подряд от Linde? Вероятно, дело в поэтапном наращивании возможностей. Возможно, собственная установка обеспечит оперативные потребности непосредственно на стартовой площадке, особенно для быстрых повторных запусков и тестов. А крупный завод Linde станет основным источником пополнения больших объемов криогена, своего рода страховкой на случай, если внутренней мощности окажется недостаточно для экстремально частых пусков. К тому же SpaceX в перспективе может пригодиться избыточный кислород и азот для других проектов (скажем, для второй площадки Starship во Флориде, где в планах тоже есть аналогичный завод. Как бы то ни было, факт остается фактом: вокруг Starship выстраивается полноценная индустриальная экосистема, частью которой стал и завод по добыче ракетного «топлива» из воздуха.

Заключение

Создание воздухоразделительной установки специально под программу Starship – показатель того, насколько далеко SpaceX готова зайти ради своих амбициозных целей. Ракеты нового поколения требуют нового подхода ко всему, в том числе к снабжению. Когда из-под ножек Starship вырываются облака белого пара, стоит помнить, что этот «пар» – не что иное, как испаряющийся жидкий кислород и азот, которые были произведены тут же, на берегу Мексиканского залива, из самого воздуха. Без шумихи и громких заголовков воздухоразделительная установка станет незаменимым звеном в цепочке космических пусков: она даст Starship возможность «дышать» полной грудью в прямом смысле слова.

В будущем, если задуманные Маском сотни стартов в год станут реальностью, мы будем видеть не только рекорды многоразовых полетов, но и слаженную работу связанных земных служб. Гигантские резервуары, охлаждаемые трубы, свист выпускных клапанов – этот симфонический оркестр криогенной техники будет ежедневно трудиться, чтобы заправить очередную ракету. И, возможно, уже скоро Starbase превратится в место, где воздух превращается в полеты – буквально. В этой истории освоения космоса есть место даже таким, казалось бы, прозаичным героям, как кислородный завод. Но, как любит шутить команда инженеров, «нет кислорода – нет иoxidizer, а значит, и огненного шоу не будет». Благодаря воздухоразделительной установке огненное шоу Starship нам обеспечено на много запусков вперед – быстро, эффективно и практически из воздуха.