活在太空：呼吸問(wèn)題怎么解決？

胡德良

在地球上，我們擁有源源不斷的新鮮空氣。每時(shí)每刻，我們吸入氧氣，呼出二氧化碳。通過(guò)光合作用，二氧化碳被植物回收利用。植物吸收二氧化碳，釋放氧氣。在極其廣闊的范圍內(nèi)，這是一種奇妙而穩(wěn)定的循環(huán)。但是，在航天飛機(jī)或國(guó)際空間站之類的航天器上，密封艙空間狹小，又會(huì)發(fā)生怎樣的情況呢？

國(guó)際空間站：氧氣產(chǎn)生的3種方式

多數(shù)航天飛機(jī)都自帶氧氣供應(yīng)裝置，而且還會(huì)有一個(gè)備用系統(tǒng)。這些航天飛機(jī)的航天任務(wù)持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，大約從幾天到兩周之間。相比之下，國(guó)際空間站自從1998年就進(jìn)入了軌道，是為長(zhǎng)期航天飛行任務(wù)而設(shè)計(jì)的。那么，國(guó)際空間站上的氧氣是如何供應(yīng)的呢？

國(guó)際空間站上有3種供應(yīng)氧氣的方式：氧氣發(fā)生器、高壓氧氣瓶及固體燃料氧氣發(fā)生器。

國(guó)際空間站上制造氧氣主要是通過(guò)氧氣發(fā)生器來(lái)完成，如俄羅斯制造的電解氧發(fā)生器和美國(guó)環(huán)控生保系統(tǒng)。

電解氧發(fā)生器位于“星辰”號(hào)服務(wù)艙，而環(huán)控生保系統(tǒng)位于“命運(yùn)”號(hào)實(shí)驗(yàn)艙，這些設(shè)備通過(guò)電解過(guò)程利用水來(lái)制造氧氣。

在電解過(guò)程中，電流穿過(guò)水從一個(gè)帶正電的電極（陽(yáng)極）到另一個(gè)帶負(fù)電的電極（陰極）。由于水本身是電的不良導(dǎo)體，水中含有低濃度的鹽分。在這一過(guò)程中，水被分解為氫氣和氧氣。

電能由空間站上的太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生，通過(guò)空間站的電網(wǎng)輸送到氧氣發(fā)生器中;水則通過(guò)“進(jìn)步”號(hào)貨運(yùn)飛船和航天飛機(jī)從地球運(yùn)送到空間站。航天員呼出的水蒸氣也可以利用冷凝器回收，還有航天員的尿液也能利用環(huán)控生保系統(tǒng)回收。電解過(guò)程中產(chǎn)生的氫氣被排放到太空，氧氣則輸入到艙內(nèi)空氣中參與循環(huán)。

下面再看看其他兩種供應(yīng)氧氣的方法。

第二種方法是攜帶高壓氧氣瓶。這些氧氣不是制造出來(lái)的，而是從地球輸送來(lái)的。歐洲自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器、“進(jìn)步”號(hào)貨運(yùn)飛船或美國(guó)的航天飛機(jī)都攜帶著高壓氧氣瓶，為空間站補(bǔ)充氧氣。此外，這些飛行器也運(yùn)來(lái)高壓氮?dú)??？臻g站上的大氣控制裝置，會(huì)按照地球大氣的組成比例動(dòng)態(tài)調(diào)整艙內(nèi)氣體組分。

第三種方法是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)來(lái)制造氧氣的備用系統(tǒng)，該系統(tǒng)被稱為固體燃料氧氣發(fā)生器，位于國(guó)際空間站的“星辰”號(hào)服務(wù)艙中。該發(fā)生器也被稱為氧燭或氯酸鹽蠟燭，燃料罐內(nèi)裝有粉狀氯酸鈉和鐵粉的混合物。點(diǎn)燃發(fā)生器，鐵粉在1112°F（600℃）時(shí)發(fā)生“燃燒”現(xiàn)象，為反應(yīng)提供所需的熱能。氯酸鈉分解成氯化鈉（食鹽）和氧氣，其中一些氧氣與鐵結(jié)合生成氧化鐵。

每千克氯酸鈉和鐵粉的混合物通過(guò)發(fā)生器能夠提供6.5人/小時(shí)的氧氣，俄羅斯也使用此法制造氧氣。

如何清除二氧化碳？

當(dāng)人體細(xì)胞分解食物時(shí)，我們的身體中就會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，然后通過(guò)呼氣將它釋放出去。在大氣中，二氧化碳濃度約為0.04%。然而，在航天器的密閉艙內(nèi)（航天飛機(jī)或空間站內(nèi)部），如果不加控制，二氧化碳濃度可能會(huì)不斷升高。由于二氧化碳是有毒的，所以濃度過(guò)高就會(huì)造成問(wèn)題。

隨著周圍空氣中的二氧化碳濃度增加，人們將會(huì)發(fā)生如下癥狀：

在地球上，植物可以通過(guò)光合作用來(lái)清除二氧化碳。植物吸收二氧化碳，釋放氧氣。然而在航天飛機(jī)中，必須通過(guò)化學(xué)過(guò)程將二氧化碳從機(jī)艙空氣中去除。

大多數(shù)航天飛機(jī)僅僅依靠過(guò)濾器來(lái)清除二氧化碳：過(guò)濾器中含有粉末狀氫氧化鋰，當(dāng)含有二氧化碳的空氣通過(guò)過(guò)濾器時(shí)，二氧化碳就會(huì)與氫氧化鋰結(jié)合，生成碳酸鋰和水。所有的氫氧化鋰一旦用完，過(guò)濾器就要被丟棄并更換新過(guò)濾器。

在使用氫氧化鋰過(guò)濾器方面曾出現(xiàn)過(guò)一次重要的事件，即“阿波羅13號(hào)”事件。

當(dāng)時(shí)，發(fā)生了一次爆炸之后，指令艙無(wú)法啟用，航天員最后乘坐登月艙生還。

登月艙使用的是圓形氫氧化鋰過(guò)濾罐，而指令艙利用的是方形過(guò)濾箱。登月艙的空間本來(lái)是為兩個(gè)人設(shè)計(jì)的，可當(dāng)時(shí)有三個(gè)人呼吸其中的空氣，所以登月艙里的過(guò)濾粉很快就用完了。由于過(guò)濾設(shè)備形狀不同，航天員無(wú)法順利進(jìn)行替換。因此，航天控制中心的工程師想方設(shè)法，讓登月艙的氣流經(jīng)過(guò)方形的氫氧化鋰過(guò)濾罐。航天員利用膠管、護(hù)套、塑料袋和管道膠帶迅速創(chuàng)建了一個(gè)引流系統(tǒng)，最終所有人都免于二氧化碳過(guò)多引起的死亡。

氫氧化鋰過(guò)濾器并不是太空中解決二氧化碳問(wèn)題的唯一辦法。

在國(guó)際空間站上，美國(guó)命運(yùn)實(shí)驗(yàn)室和3號(hào)節(jié)點(diǎn)艙擁有二氧化碳清除組件，組件系統(tǒng)利用分子篩技術(shù)來(lái)清除二氧化碳。這里利用的分子篩是沸石——二氧化硅和二氧化鋁的晶體。組件系統(tǒng)有四層，由兩種不同的沸石構(gòu)成，13X沸石吸收水，5A沸石吸收二氧化碳。當(dāng)空氣通過(guò)13X沸石層時(shí)，水分被截留，也就是從空氣中被清除;干燥的空氣進(jìn)入5A沸石層時(shí)，二氧化碳被捕獲并被清除。這樣，最終獲得的是干燥、不含二氧化碳的氣體。

跟用完被廢棄的氫氧化鋰過(guò)濾器不同，組件系統(tǒng)中的沸石可以重復(fù)利用。

組件系統(tǒng)設(shè)有獨(dú)立的控制裝置，系統(tǒng)的一半主動(dòng)地從空氣中清除二氧化碳和水分，同時(shí)另一半進(jìn)行回收利用，兩部分交替發(fā)揮作用。它是國(guó)際空間站清除艙內(nèi)空氣中二氧化碳的主要方法，而氫氧化鋰過(guò)濾器作備用系統(tǒng)。

2010年10月，國(guó)際空間站上安裝了一個(gè)被稱為“薩巴蒂爾”的新系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)吸收組件系統(tǒng)清除的二氧化碳，將其跟氫氣結(jié)合，生成液態(tài)水和甲烷氣體，然后甲烷被排放到外太空。它所利用的氫氣來(lái)自前面提到的電解氧發(fā)生器和環(huán)控生保系統(tǒng)的水電解系統(tǒng)。

面向未來(lái)更長(zhǎng)期的太空駐留任務(wù)，科學(xué)家寄希望于第三代環(huán)控生保系統(tǒng)——受控生態(tài)生保系統(tǒng)，它能夠通過(guò)種植作物而自然地產(chǎn)生氧氣和清除二氧化碳，這些植物不僅能夠提供可用于呼吸的空氣，而且還能夠?yàn)楹教靻T提供食物。然而，空間站生活空間有限，該如何在狹小的空間內(nèi)種植大量的作物，這是科學(xué)家們的另一道難題。