未來太空基地內(nèi)氫氣和二氧化碳消除技術(shù)研究進(jìn)展

熊 凱， 尹永利， 曹 勇， 楊才華

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）機(jī)電工程與自動化學(xué)院， 深圳 518055； 2.深圳市綠航星際太空科技研究院，深圳 518117； 3.中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100094）

1 引言

隨著人類對太空的不斷探索，美國、俄羅斯、中國和歐盟等國家和地區(qū)都有建立太空基地的計(jì)劃。 典型的太空基地有空間站、月球基地和火星基地等，它為乘員創(chuàng)造了一個(gè)具有大氣平衡、適宜長期居住的密閉空間，以保障乘員的生命健康安全。 當(dāng)前，以國際空間站為代表的太空基地內(nèi)主要采用電解水的方式為乘員提供呼吸用氧，然而電解水在產(chǎn)生高純度氧氣的同時(shí)也會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物氫氣，乘員長時(shí)間呼吸消耗氧氣的同時(shí)也會產(chǎn)生大量的二氧化碳。 多余的氫氣和二氧化碳都會破壞太空基地內(nèi)部的大氣平衡，嚴(yán)重危害乘員的生命健康安全，迫切需要使用合理的方法消除這兩種氣體。

在密閉空間內(nèi)保障乘員生命健康的系統(tǒng)是環(huán)控生保系統(tǒng)。 為了滿足未來太空基地長期載人航天任務(wù)需求，環(huán)控生保系統(tǒng)須具備較高的物質(zhì)閉合度，以減少對其物質(zhì)補(bǔ)給，長期保持大氣平衡。目前第三代受控生態(tài)生保系統(tǒng)是未來技術(shù)發(fā)展的方向，具有很高物質(zhì)閉合度，能夠滿足未來太空基地內(nèi)部氣體的長期消除需求。 受控生態(tài)生保系統(tǒng)主要是在第二代物化再生生保技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合植物光合作用和微生物的分解作用構(gòu)成生態(tài)鏈，以實(shí)現(xiàn)大氣、水和食物的再生與持續(xù)供應(yīng)。 當(dāng)前受控生態(tài)生保系統(tǒng)尚處于研究階段，距離工程化應(yīng)用還有較遠(yuǎn)的距離。

本文針對未來太空基地內(nèi)部多余氫氣和二氧化碳的消除問題，通過對現(xiàn)階段各種載人密閉空間內(nèi)部所采用的理化再生式氣體消除技術(shù)梳理，如神舟系列載人飛船、天宮系列空間實(shí)驗(yàn)室、國際空間站和各類潛艇等，結(jié)合受控式生保系統(tǒng)中高等植物和藻類光合作用，總結(jié)各種消除二氧化碳的技術(shù)方法，并對未來太空基地內(nèi)部氫氣和二氧化碳消除技術(shù)進(jìn)行展望。

2 物化再生生保系統(tǒng)氣體消除技術(shù)

在物化再生生保系統(tǒng)中，電解水的副產(chǎn)物氫氣和乘員呼吸產(chǎn)生的二氧化碳是需要被消除的主要廢氣。 對當(dāng)前各種物化再生生保系統(tǒng)內(nèi)氫氣和二氧化碳消除技術(shù)路線總結(jié)如圖1 所示。 從圖中可以看出，在物化再生生保系統(tǒng)內(nèi)針對多余的氫氣和二氧化碳的消除分為先收集再處理兩步。 目前，氫氣主要采用高壓存儲法進(jìn)行收集，二氧化碳的收集方法分為物理吸附法和化學(xué)吸附法，其中物理吸附法主要有膜分離方法和分子篩吸附方法，化學(xué)吸附法有固態(tài)胺吸附方法和液態(tài)胺吸附方法。 多余氣體的處理方法主要有Bosch 還原消除法、Sabatier 還原消除法和甲醇化消除化方法。

圖1 物化再生生保系統(tǒng)中氫氣和二氧化碳消除技術(shù)路線Fig.1 Carbon dioxide and hydrogen elimination routes in physico?chemical life support sys?tem

2.1 氫氣收集方法

在載人密閉空間內(nèi)人均耗氧量為0.82 kg／d，與此同時(shí)副產(chǎn)的氫氣為0.103 kg／d。 氫氣可以直接從電解裝置處收集，以避免其混入載人密閉空間內(nèi)部的空氣中。 產(chǎn)生的氫氣需要被收集暫存，在此過程中氫氣的持續(xù)積累會導(dǎo)致其質(zhì)量不斷增加，需將其高壓存儲以節(jié)省存儲空間。 在潛艇等密閉空間內(nèi)就是采用高壓收集存儲，然后擇機(jī)排放的方式來收集多余氫氣。 雖然高壓收集存儲方法需要使用大體積的高壓容器和大功率壓縮機(jī)，會耗費(fèi)一定的能量，占據(jù)一定的空間，但是該方法簡單直接，是目前應(yīng)用最為廣泛的氫氣收集方法。

2.2 二氧化碳收集方法

在密閉空間內(nèi)乘員吸入0.82 kg 氧氣的同時(shí)會排出1.04 kg 的二氧化碳，此時(shí)的呼吸商約為0.922。 收集密閉空間內(nèi)的二氧化碳主要是為了降低二氧化碳的濃度，保證乘員的生命健康。

2.2.1 膜分離方法

膜分離方法的原理是利用氣體的篩孔效應(yīng)，根據(jù)各種氣體在不同膜材料中滲透率的差異來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的分離。 根據(jù)此原理將密閉空間內(nèi)空氣通過具有較強(qiáng)的二氧化碳溶解和通過能力的薄膜，其中的二氧化碳能夠通過薄膜，而其他氣體不能通過，從而實(shí)現(xiàn)二氧化碳從空氣中的分離和收集，比較常用的二氧化碳分離薄膜材料有聚釩和醋酸纖維。 20 世紀(jì)90 年代NASA 對膜吸附二氧化碳技術(shù)進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了其可再生性，適合應(yīng)用于中長期的航天任務(wù)，具有應(yīng)用于未來太空基地的潛力。 但現(xiàn)有的二氧化碳薄膜材料成本高、吸收效率低，為滿足其在未來太空基地的長期可再生使用需求，需要在膜材料、工藝、制造等環(huán)節(jié)進(jìn)一步開展技術(shù)突破。

2.2.2 分子篩吸附方法

分子篩吸附方法于20 世紀(jì)80 年代提出，利用吸附劑表面的分子力實(shí)現(xiàn)對二氧化碳的吸附，而在降壓或者加熱吸附材料時(shí)，又能將吸附的二氧化碳從中脫附，從而實(shí)現(xiàn)了分子篩的可再生利用。 此技術(shù)最先應(yīng)用于英國潛艇中，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，已應(yīng)用于俄羅斯和平號空間站和國際空間站，2013 年NASA 通過測試，認(rèn)為分子篩仍然是目前中長期載人航天任務(wù)中最適合的二氧化碳收集方法。

當(dāng)前，國際空間站使用的是四床分子篩，其內(nèi)部具有2 套裝置，一套工作在吸附模式時(shí)，另一套工作在解析模式，2 套裝置在吸附與解析之間來回切換，實(shí)現(xiàn)對二氧化碳的連續(xù)吸附。 由于分子篩吸附劑5A 沸石也能吸附水蒸氣，為了提高其對二氧化碳的吸附能力，需先將進(jìn)入分子篩的空氣干燥。 因此，四床分子篩系統(tǒng)比較復(fù)雜，體積、重量和能耗都較大，需對其重量、體積和可靠性等方面進(jìn)行改進(jìn)。 NASA 提出對分子篩吸附劑的吸附性能和分子篩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。 改進(jìn)吸附劑的吸附性能重點(diǎn)在于開發(fā)憎水性吸附材料，這樣可以免去分子篩前端的干燥器，減輕系統(tǒng)重量，降低功耗。 改進(jìn)吸附結(jié)構(gòu)主要是改變分子篩內(nèi)吸附劑的安裝結(jié)構(gòu)，提升其吸附能力，在降低系統(tǒng)的重量、體積和能耗的同時(shí)，提升分子篩的可再生性，增加系統(tǒng)的閉合度。

2.2.3 固態(tài)胺吸附方法

固態(tài)胺是一種具有大量微孔和較大的比表面積的高分子聚合物，因其具有弱堿性的胺基而對二氧化碳具有吸附作用，吸附二氧化碳的過程是可逆的，吸收時(shí)會放熱，而當(dāng)對其加熱使其溫度升高時(shí)，則會將吸收的二氧化碳解析釋放。 由于固態(tài)胺的吸附—解析過程可控而被應(yīng)用于載人密閉空間內(nèi)部的二氧化碳收集。 20 世紀(jì)80 年代美國開始對固態(tài)胺吸附二氧化碳開展研究，并成功應(yīng)用于核潛艇中，此外，也將固態(tài)胺作為空間站中分子篩的后備技術(shù)。 周抗寒等在固態(tài)胺的研究中，已完成了各種固態(tài)胺吸附的仿真和試驗(yàn)研究。

相比分子篩裝置，固態(tài)胺裝置的體積更小、能耗更低，其能將艙室內(nèi)的二氧化碳濃度控制在0.2%以下，且無毒、無揮發(fā)，不會對密閉空間內(nèi)部的空氣造成污染。 但是固態(tài)胺的使用壽命有限，需要定期更換，降低了系統(tǒng)的閉合度，制約了其在長航時(shí)的太空基地的應(yīng)用。 為了將其應(yīng)用于長期載人航天任務(wù)中，其使用壽命是未來亟需克服的問題。

2.2.4 液態(tài)胺吸附方法

液態(tài)胺是一種可再生的、具有吸附和解析二氧化碳能力的溶液，由于具有功率低、質(zhì)量小和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被用于分離和收集密閉空間內(nèi)空氣中混合的二氧化碳。 目前成功應(yīng)用于密閉空間的液態(tài)胺是一乙醇胺，美國、俄羅斯、英國等國家的潛艇中均采用一乙醇胺作為吸收劑收集二氧化碳。 一乙醇胺雖然價(jià)格低廉，但是其能耗較大，分離和收集能力有限，且具有氨味，在吸附的過程中會因?yàn)橐后w的揮發(fā)和泄露而導(dǎo)致艙內(nèi)空氣的二次污染。 因此，一乙醇胺不適合用于長期載人航天任務(wù)中二氧化碳的收集，需要開發(fā)新型的液態(tài)胺溶液。 目前，NASA 開發(fā)了新型的不易揮發(fā)的液態(tài)胺溶液（二甘醇胺），并設(shè)計(jì)了對應(yīng)的液態(tài)胺吸附系統(tǒng)，驗(yàn)證了其具有良好的二氧化碳吸附性能，且其重量、功率和體積都比當(dāng)前國際空間站內(nèi)的分子篩吸附系統(tǒng)減少了65%。 盡管目前液態(tài)胺應(yīng)用于航天器還面臨化學(xué)穩(wěn)定性和微重力條件下的密封等方面的技術(shù)挑戰(zhàn)，但是因其在重力、體積、功率比和可靠性等方面的明顯優(yōu)勢，仍然具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.3 廢氣處理方法

多余氣體處理方法主要目標(biāo)是將二氧化碳中的氧原子以水或者氧氣的形式重新置換出來，從而實(shí)現(xiàn)氧氣的再生，因此氧氣回收率是評判多余氣體處理方法的重要指標(biāo)。 在未來太空基地內(nèi)，電解水產(chǎn)生的氧氣和氫氣的體積比為1 ∶2，呼吸商為0.922，因此，產(chǎn)生的二氧化碳和氫氣的體積比為0.922 ∶2，即多余氣體處理方法氧氣回收的約束條件是二氧化碳和氫氣的體積比為0.922 ∶2。

2.3.1 Bosch 還原消除法

Bosch 還原消除法原理是在Bosch 反應(yīng)器中將氫氣和二氧化碳加熱至500 ～700 ℃，利用鐵、鈷、鎳等催化劑催化生成固態(tài)碳和水蒸氣，以實(shí)現(xiàn)對氧元素的回收，其反應(yīng)方程式見式（1）：

該方法中二氧化碳和氫氣的化學(xué)計(jì)量比值為1 ∶2，大于約束條件中的0.922 ∶2，因此所有二氧化碳中的氧原子都能被轉(zhuǎn)換成水，其氧氣回收率為100%。 美國、蘇聯(lián)和中國都開展了Bosch 還原消除法的研究，但是由于Bosch 的局限性，導(dǎo)致其未能實(shí)現(xiàn)在航天領(lǐng)域的工程化應(yīng)用，主要原因有兩方面：①反應(yīng)過程中產(chǎn)生的固態(tài)碳不僅會在催化劑表面沉積而導(dǎo)致催化劑失效，而且會在壓縮機(jī)、熱交換器等裝備中出現(xiàn)碳沉積而損壞裝備，不利于系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行；②反應(yīng)率太低，導(dǎo)致其反應(yīng)過程復(fù)雜，增大了系統(tǒng)的體積和重量，降低了可靠性。

2.3.2 Sabatier 還原消除法

Sabatier 消除方法是在Sabatier 反應(yīng)器內(nèi)將氫氣和二氧化碳催化合成甲烷和水，其反應(yīng)方程式如式（2）所示。 該反應(yīng)的單程反應(yīng)率高達(dá)99%，系統(tǒng)簡單可靠，且催化劑能夠長期使用，適合長期處理密閉空間內(nèi)的廢氣。 NASA 將Sabatier 和Bosch 進(jìn)行比較，認(rèn)為Sabatier 在質(zhì)量、體積、功耗、冷卻、補(bǔ)給、返回質(zhì)量體積和技術(shù)成熟度等方面都要優(yōu)于Bosch 法。 在國際空間站、俄羅斯和平號空間站內(nèi)都采用了Sabatier 還原法消除二氧化碳和氫氣。

該方法中二氧化碳和氫氣的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比為1 ∶4，小于約束條件中的0.922 ∶2，通過該方法能夠?qū)錃馊肯?，而只能消耗一部分二氧化碳，此時(shí)二氧化碳中氧氣回收率為54.23%。為了提升Sabatier 反應(yīng)器內(nèi)的氧氣回收率，需要更多的氫氣。 NASA 提出使用等離子裂解裝置將Sabatier 反應(yīng)器中的產(chǎn)物甲烷電解成氫氣和乙炔，以實(shí)現(xiàn)更多二氧化碳中氧元素的轉(zhuǎn)換，其方程式見式（3）：

NASA 在2018 年開發(fā)了等離子裂解裝置的樣機(jī)，其目標(biāo)是利用該裝置與Sabatier 反應(yīng)器結(jié)合將氧氣的回收率提升至75%以上。 目前等離子裂解裝置中主要的技術(shù)難點(diǎn)是如何將氫氣從乙炔中分離并提純。

2.3.3 甲醇化消除法

甲醇化消除方法是將氣態(tài)的氫氣和二氧化碳在催化劑的作用下催化合成液態(tài)的甲醇和水，其反應(yīng)方程式如式（4）所示。 該方法過程控制簡單、反應(yīng)充分，所使用的催化劑合成容易、價(jià)格便宜、使用壽命長。 對處理長期載人密閉空間內(nèi)的氫氣和二氧化碳具有廣闊的應(yīng)用前景。 雖然目前甲醇化消除方法只在國外潛艇中有小范圍的成功應(yīng)用案例，在航空航天領(lǐng)域還未見工程應(yīng)用，但是該方法給太空基地內(nèi)的廢氣處理提供了新的思路。

該方法中二氧化碳和氫氣的化學(xué)計(jì)量比值為1 ∶3，小于約束條件中的0.922 ∶2，此時(shí)氧氣的回收率為36.15%。 甲醇化消除方法中的產(chǎn)物為液態(tài)的水和甲醇，氧氣的再生需要將水從產(chǎn)物中分離和提純后重新返回電解裝置再次電解。 甲醇和水的分離為氧氣的再生增加了難度。 產(chǎn)物甲醇是一種重要的工業(yè)原料，但是目前在太空基地內(nèi)還沒有合理的利用方式使其參與物質(zhì)循環(huán)。 為了提升系統(tǒng)的閉合度，需要進(jìn)一步研究在太空基地內(nèi)大規(guī)模轉(zhuǎn)化利用甲醇的有效理化方法或者生物方法。

3 受控生態(tài)生保系統(tǒng)氣體消除技術(shù)

3.1 藻類光合作用消除二氧化碳

藻類可以通過光合作用消除二氧化碳產(chǎn)生氧氣，由于具有生長速度快，高體積效率和易于培養(yǎng)的特點(diǎn)，在密閉空間內(nèi)的大氣再生、水循環(huán)、食物生產(chǎn)和輻射屏蔽等方面具有優(yōu)越性能，使其成為受控生態(tài)生保系統(tǒng)內(nèi)一個(gè)重要的備選材料。 20世紀(jì)50、60 年代開始，美國和蘇聯(lián)開展了利用藻類和微生物與人相結(jié)合的生物試驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)密閉空間內(nèi)的二氧化碳消除和大氣的再生，試驗(yàn)證明了該技術(shù)的可行性。

為了將藻類系統(tǒng)應(yīng)用于未來太空基地，很多研究者針對藻類光生物反應(yīng)器進(jìn)行研究，并與傳統(tǒng)的氣體消除方法對比。 Matual 等比較了Sa?batier 反應(yīng)器和藻類系統(tǒng)的體積、重量和功率等相關(guān)參數(shù)，結(jié)果顯示，Sabatier 反應(yīng)器具有更小的體積和重量，但消耗更多的功率。 使用藻類光生物反應(yīng)器進(jìn)行空氣再生會占用更大的質(zhì)量和體積。然而，在綜合考慮藻類系統(tǒng)的多重功能、安全操作溫度等優(yōu)點(diǎn)時(shí)，藻類系統(tǒng)更有優(yōu)勢。

當(dāng)前藻類系統(tǒng)還不能應(yīng)用于未來太空基地，主要原因是對藻類的生物學(xué)特性與載人航天器艙室環(huán)境之間關(guān)聯(lián)研究尚需深入。 已知對藻類的生長速率、二氧化碳固定率和氧氣的產(chǎn)率有重要影響的航天器環(huán)境參數(shù)有溫度、光照、二氧化碳濃度、pH 值、氧氣、壓力、生長介質(zhì)、污染、重力和輻射等。 目前的研究主要集中在二氧化碳濃度對藻類生長的影響，而其他參數(shù)如氧氣濃度、總壓、輻射和重力等對藻類生物代謝反應(yīng)的影響還需深入研究。

3.2 高等植物光合作用消除二氧化碳

在密閉空間內(nèi)栽培高等植物不僅可以利用其光合作用吸收二氧化碳產(chǎn)生氧氣實(shí)現(xiàn)大氣的再生，而且能夠提供各種新鮮的食物、實(shí)現(xiàn)廢水循環(huán)、補(bǔ)給消耗品、有益于乘員心理健康，是實(shí)現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)、提高系統(tǒng)閉合度的關(guān)鍵技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。 20 世紀(jì)70 年代，美國和蘇聯(lián)開展“人－植物”相結(jié)合的受控生態(tài)計(jì)劃，利用蔬菜、油料等作物保障乘員的氧氣、水和食物的供應(yīng)，系統(tǒng)達(dá)到了很高的閉合度。 此外，歐洲、日本、加拿大和中國等國和地區(qū)都開展了類似的試驗(yàn)研究，用于提高系統(tǒng)中水、氧氣和食物等物質(zhì)的閉合度。當(dāng)前在密閉空間內(nèi)栽培高等植物已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)受控生態(tài)生保系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)手段。

盡管應(yīng)用高等植物作為未來太空基地內(nèi)環(huán)控系統(tǒng)的主要技術(shù)手段具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但與藻類系統(tǒng)一樣，高等植物的生物學(xué)特性與載人航天器艙室環(huán)境之間關(guān)聯(lián)尚需深入研究，目前還不能作為成熟的大氣控制方法應(yīng)用于未來太空基地。 此外在其工作過程中還會面臨很多挑戰(zhàn)，首先植物本身會受到其生長周期、光照周期、病蟲害、收獲時(shí)間等因素的影響，導(dǎo)致其不能長期穩(wěn)定的進(jìn)行光合作用消耗二氧化碳；其次，植物培養(yǎng)系統(tǒng)的故障和維修等因素也會導(dǎo)致高等植物種植系統(tǒng)不能持續(xù)工作，影響環(huán)控生保系統(tǒng)的正常運(yùn)行；最后，未來太空基地內(nèi)人員的數(shù)量變動、勞動負(fù)荷的變化和乘員食物組成會導(dǎo)致乘員的呼吸商發(fā)生變化，進(jìn)而影響高等植物的二氧化碳消除及氧氣再生能力。 綜上，為了將高等植物應(yīng)用于太空基地，需在環(huán)境對高等植物的生長影響、植物生成代謝過程、 種植系統(tǒng)的可靠性等方面開展深入研究。

4 展望

未來太空基地內(nèi)主要采用受控生保系統(tǒng)進(jìn)行氧氣的再生和廢氣的消除，藻類和高等植物是實(shí)現(xiàn)大氣的再生和物質(zhì)循環(huán)的主要技術(shù)手段。 與藻類相比，高等植物的光合作用的效率略低，其耗能會比藻類系統(tǒng)高，在消除同樣體積的氣體時(shí)，高等植物的重量和體積都大于藻類系統(tǒng)。 但是高等植物能夠提供更加豐富的食物來源，通過其自身葉片表面蒸發(fā)的水汽液化可以作為乘員的飲用水，且為乘員提供了更加健康的生活環(huán)境。 綜合考慮大氣循環(huán)、生物產(chǎn)出、物質(zhì)補(bǔ)給、體積和耗能等，高等植物比藻類更具應(yīng)用前景。

利用高等植物實(shí)現(xiàn)的物質(zhì)循環(huán)可帶來很高的物質(zhì)閉合度，有利于未來太空基地的長期穩(wěn)定運(yùn)行，但是植物的光合作用受環(huán)境、生長情況、設(shè)備狀態(tài)和人員變動等因素影響，其二氧化碳消除能力和產(chǎn)氧量會有較大的波動。 物化再生生保技術(shù)雖然物質(zhì)閉合度有待提高，但其具有成熟穩(wěn)定運(yùn)行的特性，以高等植物結(jié)合物化再生生保技術(shù)是未來太空基地內(nèi)環(huán)控生保技術(shù)的主要方向。 電解水作為物化再生生保技術(shù)中一種綠色無污染的可靠大規(guī)模供氧技術(shù)，也將作為太空基地內(nèi)部供氧技術(shù)的冗余備份和有效補(bǔ)充。

未來太空基地內(nèi)氫氣和二氧化碳的消除過程將繼續(xù)采用先收集后消除的方法，氫氣從電解水裝置處收集，二氧化碳通過二氧化碳消除系統(tǒng)進(jìn)行收集。 當(dāng)前物化再生技術(shù)中二氧化碳收集方法中膜分離方法由于其成本較高、分離效率較低、材料性能有待改善，可靠性不高，不適合未來應(yīng)用。固態(tài)胺使用壽命較低，不適合長期使用。 分子篩吸附方法是目前空間站使用的方法，其穩(wěn)定性比其他方法高，但因其體積、重量和能耗都較高，需要對其在微重力條件下的應(yīng)用進(jìn)行研究和改進(jìn)。液態(tài)胺吸附方法具有功耗低、體積小、重量輕和可靠性高的技術(shù)優(yōu)勢，隨著其技術(shù)的逐漸成熟，將是未來太空基地內(nèi)主要的二氧化碳收集技術(shù)。 由于Sabatier 反應(yīng)器在質(zhì)量、體積、功耗、冷卻、補(bǔ)給、返回質(zhì)量體積和技術(shù)成熟度等方面都要優(yōu)于Bosch反應(yīng)器，且其氧氣回收率高于甲醇化消除方法，其與甲烷的等離子裂解裝置相結(jié)合的方法將成為未來太空基地內(nèi)氫氣和二氧化碳物化消除的主要技術(shù)手段。

未來太空基地內(nèi)以高等植物和物化再生技術(shù)相結(jié)合的環(huán)控生保系統(tǒng)有如下3 種工作模式：

1）高等植物能夠?qū)⑷慷趸嫁D(zhuǎn)換成氧氣，此時(shí)乘員吸入1 體積的氧氣，呼出0.922 體積的二氧化碳，通過高等植物的光合作用將0.922體積的二氧化碳全部轉(zhuǎn)換成氧氣，通過電解水產(chǎn)生0.078 體積的氧氣以彌補(bǔ)呼吸商造成的氧氣損耗，此時(shí)剩余0.156 體積的副產(chǎn)氫氣。

2）高等植物不能進(jìn)行光合作用將二氧化碳轉(zhuǎn)化成氧氣。 此時(shí)乘員吸入1 體積的氧氣，呼出0.922 體積的二氧化碳，通過Sabatier 反應(yīng)器和等離子裂解裝置將二氧化碳和氫氣反應(yīng)實(shí)現(xiàn)75%以上的氧氣回收，即產(chǎn)生0.6915 以上體積的氧氣，不足的氧氣份額通過額外的電解水提供，此時(shí)剩余的氣體主要是甲烷、氫氣和乙炔的混合物。

3）高等植物能夠進(jìn)行部分光合作用，此時(shí)乘員吸入1 體積的氧氣，呼出0.922 體積的二氧化碳，一部分二氧化碳通過光合作用全部轉(zhuǎn)化成了氧氣，一部分二氧化碳通過Sabatier 反應(yīng)器和甲烷等離子裂解裝置實(shí)現(xiàn)氧氣的回收，不足的氧氣份額通過額外的電解水提供。

由于受高等植物生長過程、乘員的活動和設(shè)備工作狀態(tài)等因素的影響，受控生態(tài)系統(tǒng)會在這3 種工作模式中反復(fù)切換。 為了消除各個(gè)參數(shù)的擾動，使太空基地內(nèi)部的大氣能保持長期的動態(tài)平衡，未來需要設(shè)計(jì)高等植物和物化再生系統(tǒng)的良好耦合機(jī)制以及動態(tài)平衡調(diào)節(jié)機(jī)制。

5 結(jié)語

本文綜述了當(dāng)前載人密閉空間內(nèi)多余的氫氣和二氧化碳的消除方法，對未來太空基地的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

1）未來太空基地內(nèi)將采用受控生態(tài)生保系統(tǒng)進(jìn)行廢氣消除，可利用高等植物和物化再生技術(shù)相結(jié)合的方法消除氫氣和二氧化碳。

2）液態(tài)胺比其他二氧化碳收集方法在體積、重量、功耗和可靠性等方面有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，但還需要對其在微重力條件下的性能進(jìn)行深入研究。

3）在物化消除技術(shù)中Sabatier 消除法在質(zhì)量、體積、功耗、冷卻等方面都優(yōu)于Bosch 消除法，且氧氣回收率和技術(shù)成熟度高于甲醇化消除法，其與甲烷等離子裂解裝置相結(jié)合的方法能夠提升氧氣回收率，可成為未來太空基地內(nèi)氫氣和二氧化碳物化消除技術(shù)的主要手段。

4）在未來太空基地內(nèi)，為使基地內(nèi)部的大氣保持長期的動態(tài)平衡，需要設(shè)計(jì)高等植物和物化再生系統(tǒng)的良好耦合機(jī)制以及其動態(tài)平衡調(diào)節(jié)機(jī)制。