活在太空：呼吸問題怎么解決？

胡德良

在地球上，我們擁有源源不斷的新鮮空氣。每時每刻，我們吸入氧氣，呼出二氧化碳。通過光合作用，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，這是一種奇妙而穩定的循環。但是，在航天飛機或國際空間站之類的航天器上，密封艙空間狹小，又會發生怎樣的情況呢？

國際空間站：氧氣產生的3種方式

多數航天飛機都自帶氧氣供應裝置，而且還會有一個備用系統。這些航天飛機的航天任務持續時間不長，大約從幾天到兩周之間。相比之下，國際空間站自從1998年就進入了軌道，是為長期航天飛行任務而設計的。那么，國際空間站上的氧氣是如何供應的呢？

國際空間站上有3種供應氧氣的方式：氧氣發生器、高壓氧氣瓶及固體燃料氧氣發生器。

國際空間站上制造氧氣主要是通過氧氣發生器來完成，如俄羅斯制造的電解氧發生器和美國環控生保系統。

電解氧發生器位于“星辰”號服務艙，而環控生保系統位于“命運”號實驗艙，這些設備通過電解過程利用水來制造氧氣。

在電解過程中，電流穿過水從一個帶正電的電極（陽極）到另一個帶負電的電極（陰極）。由于水本身是電的不良導體，水中含有低濃度的鹽分。在這一過程中，水被分解為氫氣和氧氣。

電能由空間站上的太陽能電池板產生，通過空間站的電網輸送到氧氣發生器中;水則通過“進步”號貨運飛船和航天飛機從地球運送到空間站。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控生保系統回收。電解過程中產生的氫氣被排放到太空，氧氣則輸入到艙內空氣中參與循環。

下面再看看其他兩種供應氧氣的方法。

第二種方法是攜帶高壓氧氣瓶。這些氧氣不是制造出來的，而是從地球輸送來的。歐洲自動轉移飛行器、“進步”號貨運飛船或美國的航天飛機都攜帶著高壓氧氣瓶，為空間站補充氧氣。此外，這些飛行器也運來高壓氮氣。空間站上的大氣控制裝置，會按照地球大氣的組成比例動態調整艙內氣體組分。

第三種方法是通過化學反應來制造氧氣的備用系統，該系統被稱為固體燃料氧氣發生器，位于國際空間站的“星辰”號服務艙中。該發生器也被稱為氧燭或氯酸鹽蠟燭，燃料罐內裝有粉狀氯酸鈉和鐵粉的混合物。點燃發生器，鐵粉在1112°F（600℃）時發生“燃燒”現象，為反應提供所需的熱能。氯酸鈉分解成氯化鈉（食鹽）和氧氣，其中一些氧氣與鐵結合生成氧化鐵。

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

如何清除二氧化碳？

當人體細胞分解食物時，我們的身體中就會產生二氧化碳，然后通過呼氣將它釋放出去。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（航天飛機或空間站內部），如果不加控制，二氧化碳濃度可能會不斷升高。由于二氧化碳是有毒的，所以濃度過高就會造成問題。

隨著周圍空氣中的二氧化碳濃度增加，人們將會發生如下癥狀：

在地球上，植物可以通過光合作用來清除二氧化碳。植物吸收二氧化碳，釋放氧氣。然而在航天飛機中，必須通過化學過程將二氧化碳從機艙空氣中去除。

大多數航天飛機僅僅依靠過濾器來清除二氧化碳：過濾器中含有粉末狀氫氧化鋰，當含有二氧化碳的空氣通過過濾器時，二氧化碳就會與氫氧化鋰結合，生成碳酸鋰和水。所有的氫氧化鋰一旦用完，過濾器就要被丟棄并更換新過濾器。

在使用氫氧化鋰過濾器方面曾出現過一次重要的事件，即“阿波羅13號”事件。

當時，發生了一次爆炸之后，指令艙無法啟用，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濾罐，而指令艙利用的是方形過濾箱。登月艙的空間本來是為兩個人設計的，可當時有三個人呼吸其中的空氣，所以登月艙里的過濾粉很快就用完了。由于過濾設備形狀不同，航天員無法順利進行替換。因此，航天控制中心的工程師想方設法，讓登月艙的氣流經過方形的氫氧化鋰過濾罐。航天員利用膠管、護套、塑料袋和管道膠帶迅速創建了一個引流系統，最終所有人都免于二氧化碳過多引起的死亡。

氫氧化鋰過濾器并不是太空中解決二氧化碳問題的唯一辦法。

在國際空間站上，美國命運實驗室和3號節點艙擁有二氧化碳清除組件，組件系統利用分子篩技術來清除二氧化碳。這里利用的分子篩是沸石——二氧化硅和二氧化鋁的晶體。組件系統有四層，由兩種不同的沸石構成，13X沸石吸收水，5A沸石吸收二氧化碳。當空氣通過13X沸石層時，水分被截留，也就是從空氣中被清除;干燥的空氣進入5A沸石層時，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濾器不同，組件系統中的沸石可以重復利用。

組件系統設有獨立的控制裝置，系統的一半主動地從空氣中清除二氧化碳和水分，同時另一半進行回收利用，兩部分交替發揮作用。它是國際空間站清除艙內空氣中二氧化碳的主要方法，而氫氧化鋰過濾器作備用系統。

2010年10月，國際空間站上安裝了一個被稱為“薩巴蒂爾”的新系統，這個系統吸收組件系統清除的二氧化碳，將其跟氫氣結合，生成液態水和甲烷氣體，然后甲烷被排放到外太空。它所利用的氫氣來自前面提到的電解氧發生器和環控生保系統的水電解系統。

面向未來更長期的太空駐留任務，科學家寄希望于第三代環控生保系統——受控生態生保系統，它能夠通過種植作物而自然地產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，而且還能夠為航天員提供食物。然而，空間站生活空間有限，該如何在狹小的空間內種植大量的作物，這是科學家們的另一道難題。