如何清除航天飞机上的二氧化碳？

克雷格·弗鲁登里奇 （Craig Freudenrich）

当我们的细胞分解食物时，我们身体中就会产生二氧化碳，然后通过呼气将二氧化碳释放出去。在大气中，二氧化碳浓度约为0.04％。然而，在航天器的密闭舱内，如航天飞机或空间站内部，二氧化碳浓度可能会高得多。由于二氧化碳是有毒的，所以浓度过高就会造成问题：轻则使人困倦，心率加快，头晕，意识模糊；重则使人意识丧失、肌肉震颤，甚至置人死地。

在地球上，植物可以通过光合作用来清除二氧化碳。植物吸收二氧化碳，释放氧气。然而在航天飞机中，必须通过化学过程将二氧化碳从机舱的空气中去除。大多数航天飞机仅仅依靠含有粉末状氢氧化锂的过滤器来清除二氧化碳：当含有二氧化碳（CO2）的空气通过过滤器时，二氧化碳就会与氢氧化锂（LiOH）结合，生成碳酸锂（Li2CO3）和水（H2O）。

一旦所有的氢氧化锂用完，就必须将过滤器丢弃并更换成新过滤器。也许，在使用氢氧化锂过滤器方面最著名的案例就是“阿波罗”13号航天任务中发生的情况了。

发生了一次爆炸之后，指令舱无法启用，航天飞机返回地球时，航天员们乘坐登月舱生还。登月舱使用的是圆形氢氧化锂过滤罐，而指令舱使用的是方形过滤箱。登月舱的空间是为两个人设计的，现在有三个人呼吸其中的空气，登月舱里的过滤粉很快就用完了。但是，由于过滤设备的形状不同，航天员们无法轻而易举地进行替换。因此，航天任务控制中心的工程师们不得不想方设法，通过改装使登月舱的气流经过方形的氢氧化锂过滤罐。航天员们利用胶管、护套、塑料袋和管道胶带迅速创建了一个引流系统，使航天员们免于二氧化碳引起的死亡。

氢氧化锂过滤器并不是太空中解决二氧化碳问题的唯一办法。国际空间站仍在使用氢氧化锂过滤器，但是空间站上还有一项新技术——利用分子筛来吸收二氧化碳。消防员和矿工使用的SCUBA呼吸器和个人氧气装置也必须要清除二氧化碳，其中一些呼吸器使用了氢氧化锂过滤器，但是其他呼吸器利用的是涉及超氧化钾（KO2）的化学反应。当超氧化钾跟来自人类呼吸的水蒸气（H2O）和二氧化碳（CO2）结合时，就会吸收二氧化碳并产生氧气和碳酸氢钾（KHCO3）。

反应会产生热量，因此人们知道超氧化钾什么时候用完，用完后温度就不再上升。该系统还有额外的优势：既能供应氧气，又能清除二氧化碳。

在国际空间站上，美国命运实验室和3号节点舱包含着二氧化碳清除组件（CDRA），CDRA系统是利用分子筛技术来清除二氧化碳的。这里利用的分子筛是沸石——二氧化硅和二氧化铝的晶体，这种晶体的排列呈细微的网孔状，网孔的开口大小一致，允许某些分子进入其中，被分子筛捕获。CDRA系统有四层，由两种不同的沸石构成的，13x沸石吸收水，5A沸石吸收二氧化碳。当空气通过13x沸石层时，水分被截留下来，水分就从空气中被清除出去；干燥的空气进入5A沸石层时，二氧化碳被捕获并被清除出去。然后，冒出来的空气就是干燥、不含二氧化碳的气体了。

跟用完后就被废弃的氢氧化锂过滤器不同，CDRA系统中的沸石可以重复利用。沸石层内的电子加热元件可以使沸石升温，将捕获的水蒸气和二氧化碳释放掉。二氧化碳被排放到外太空，而水蒸气经过凝结之后被回收使用。CDRA系统设有独立的控制装置，系统的一半主动地从空气中清除二氧化碳和水分，同时另一半进行回收利用，两部分交替发挥作用。CDRA系统是国际空间站从机舱空气中清除二氧化碳的主要方法，而氢氧化锂过滤器是当作备用系统的。

2010年10月，国际空间站上安装了一个被称为“萨巴蒂尔（Sabatier）”的新系统，这个系统吸收CDRA系统清除的二氧化碳（CO2），将其跟氢气（H2）结合，生成液态水（H2O）和甲烷气体（CH4），然后甲烷可以排放到外太空。该系统所利用的氢气是由俄罗斯电解氧发生器（Elektron）和美国环控生保系统（ECLSS）的水电解系统产生的。

在未来，NASA的科学家们希望，在航天飞机上和太空殖民地上能够通过种植作物而自然地产生氧气和清除二氧化碳，这些作物不仅能够提供可用于呼吸的空气，而且还能够为航天员们提供食物。

（胡德良译自science.howstuffworks.com网站）