活在太空：呼吸问题怎么解决？

胡德良

在地球上，我们拥有源源不断的新鲜空气。每时每刻，我们吸入氧气，呼出二氧化碳。通过光合作用，二氧化碳被植物回收利用。植物吸收二氧化碳，释放氧气。在极其广阔的范围内，这是一种奇妙而稳定的循环。但是，在航天飞机或国际空间站之类的航天器上，密封舱空间狭小，又会发生怎样的情况呢？

国际空间站：氧气产生的3种方式

多数航天飞机都自带氧气供应装置，而且还会有一个备用系统。这些航天飞机的航天任务持续时间不长，大约从几天到两周之间。相比之下，国际空间站自从1998年就进入了轨道，是为长期航天飞行任务而设计的。那么，国际空间站上的氧气是如何供应的呢？

国际空间站上有3种供应氧气的方式：氧气发生器、高压氧气瓶及固体燃料氧气发生器。

国际空间站上制造氧气主要是通过氧气发生器来完成，如俄罗斯制造的电解氧发生器和美国环控生保系统。

电解氧发生器位于“星辰”号服务舱，而环控生保系统位于“命运”号实验舱，这些设备通过电解过程利用水来制造氧气。

在电解过程中，电流穿过水从一个带正电的电极（阳极）到另一个带负电的电极（阴极）。由于水本身是电的不良导体，水中含有低浓度的盐分。在这一过程中，水被分解为氢气和氧气。

电能由空间站上的太阳能电池板产生，通过空间站的电网输送到氧气发生器中;水则通过“进步”号货运飞船和航天飞机从地球运送到空间站。航天员呼出的水蒸气也可以利用冷凝器回收，还有航天员的尿液也能利用环控生保系统回收。电解过程中产生的氢气被排放到太空，氧气则输入到舱内空气中参与循环。

下面再看看其他两种供应氧气的方法。

第二种方法是携带高压氧气瓶。这些氧气不是制造出来的，而是从地球输送来的。欧洲自动转移飞行器、“进步”号货运飞船或美国的航天飞机都携带着高压氧气瓶，为空间站补充氧气。此外，这些飞行器也运来高压氮气。空间站上的大气控制装置，会按照地球大气的组成比例动态调整舱内气体组分。

第三种方法是通过化学反应来制造氧气的备用系统，该系统被称为固体燃料氧气发生器，位于国际空间站的“星辰”号服务舱中。该发生器也被称为氧烛或氯酸盐蜡烛，燃料罐内装有粉状氯酸钠和铁粉的混合物。点燃发生器，铁粉在1112°F（600℃）时发生“燃烧”现象，为反应提供所需的热能。氯酸钠分解成氯化钠（食盐）和氧气，其中一些氧气与铁结合生成氧化铁。

每千克氯酸钠和铁粉的混合物通过发生器能够提供6.5人/小时的氧气，俄罗斯也使用此法制造氧气。

如何清除二氧化碳？

当人体细胞分解食物时，我们的身体中就会产生二氧化碳，然后通过呼气将它释放出去。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（航天飞机或空间站内部），如果不加控制，二氧化碳浓度可能会不断升高。由于二氧化碳是有毒的，所以浓度过高就会造成问题。

随着周围空气中的二氧化碳浓度增加，人们将会发生如下症状：

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空气中去除。

大多数航天飞机仅仅依靠过滤器来清除二氧化碳：过滤器中含有粉末状氢氧化锂，当含有二氧化碳的空气通过过滤器时，二氧化碳就会与氢氧化锂结合，生成碳酸锂和水。所有的氢氧化锂一旦用完，过滤器就要被丢弃并更换新过滤器。

在使用氢氧化锂过滤器方面曾出现过一次重要的事件，即“阿波罗13号”事件。

当时，发生了一次爆炸之后，指令舱无法启用，航天员最后乘坐登月舱生还。

登月舱使用的是圆形氢氧化锂过滤罐，而指令舱利用的是方形过滤箱。登月舱的空间本来是為两个人设计的，可当时有三个人呼吸其中的空气，所以登月舱里的过滤粉很快就用完了。由于过滤设备形状不同，航天员无法顺利进行替换。因此，航天控制中心的工程师想方设法，让登月舱的气流经过方形的氢氧化锂过滤罐。航天员利用胶管、护套、塑料袋和管道胶带迅速创建了一个引流系统，最终所有人都免于二氧化碳过多引起的死亡。

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。

在国际空间站上，美国命运实验室和3号节点舱拥有二氧化碳清除组件，组件系统利用分子筛技术来清除二氧化碳。这里利用的分子筛是沸石——二氧化硅和二氧化铝的晶体。组件系统有四层，由两种不同的沸石构成，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，也就是从空气中被清除;干燥的空气进入5A沸石层时，二氧化碳被捕获并被清除。这样，最终获得的是干燥、不含二氧化碳的气体。

跟用完被废弃的氢氧化锂过滤器不同，组件系统中的沸石可以重复利用。

组件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。它是国际空间站清除舱内空气中二氧化碳的主要方法，而氢氧化锂过滤器作备用系统。

2010年10月，国际空间站上安装了一个被称为“萨巴蒂尔”的新系统，这个系统吸收组件系统清除的二氧化碳，将其跟氢气结合，生成液态水和甲烷气体，然后甲烷被排放到外太空。它所利用的氢气来自前面提到的电解氧发生器和环控生保系统的水电解系统。

面向未来更长期的太空驻留任务，科学家寄希望于第三代环控生保系统——受控生态生保系统，它能够通过种植作物而自然地产生氧气和清除二氧化碳，这些植物不仅能够提供可用于呼吸的空气，而且还能够为航天员提供食物。然而，空间站生活空间有限，该如何在狭小的空间内种植大量的作物，这是科学家们的另一道难题。