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國(guó)際空間站：氧氣產(chǎn)生的三種方式

在地球上，我們擁有源源不斷的新鮮空氣。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)。

在航天飛機(jī)或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？多數(shù)航天飛機(jī)都自帶氧氣供應(yīng)，而且還會(huì)有一個(gè)備用系統(tǒng)。然而，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)際空間站上有三種供應(yīng)氧氣的方式：利用氧氣發(fā)生器、高壓氧氣瓶或固體燃料氧氣發(fā)生器（也稱為“氧燭”）。

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)完成的，如：俄羅斯制造的電解氧發(fā)生器（Elektron）和美國(guó)環(huán)控生保系統(tǒng)（ECLSS），Elektron位于“星辰”號(hào)服務(wù)艙，而ECLSS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（被稱為陽(yáng)極）到另一個(gè)帶負(fù)電的電極（被稱為陰極）。由于水本身是電的不良導(dǎo)體，所以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。

在陰極處二氧化碳，發(fā)生還原反應(yīng)。來(lái)自陰極的電子跟水（H2O）結(jié)合形成氫氣（H2）和氫氧根離子（OH-）：2H2O (l) + 2e- H2(g) + 2OH- (aq)。在陽(yáng)極處，發(fā)生一種氧化反應(yīng)。電子從水中剝離并流入陽(yáng)極。從水中剝離電子的過(guò)程產(chǎn)生氧氣（O2）和氫離子（H+）：2H2O（1）O2（g）+ 4e- + 4H +。

電能是由空間站上的太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的二氧化碳，通過(guò)空間站的電網(wǎng)輸送到氧氣發(fā)生器中；水是通過(guò)“進(jìn)步”號(hào)貨運(yùn)飛船和航天飛機(jī)從地球運(yùn)送到空間站的。航天員呼出水蒸氣，因此也可以利用冷凝器把水從艙內(nèi)空氣的水蒸氣中回收。

最終，通過(guò)ECLSS裝置二氧化碳，還可以把水從航天員的尿液中回收。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)。

高壓氧氣瓶或固體燃料氧氣發(fā)生器

第二種方法是攜帶高壓氧氣瓶，氧氣不是制造出來(lái)的，而是從地球輸送到空間站的。當(dāng)歐洲自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器（ATV）、“進(jìn)步”號(hào)貨運(yùn)飛船或美國(guó)的航天飛機(jī)在空間站實(shí)現(xiàn)對(duì)接的時(shí)候硫化氫檢測(cè)儀，它們?yōu)榭梢愿邏簹馄垦a(bǔ)充氧氣。此外，這些飛行器也可補(bǔ)充高壓氮?dú)??？臻g站上的大氣控制裝置按照地球大氣的組成比例動(dòng)態(tài)調(diào)整艙內(nèi)氣體組份。

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（SFOG），位于國(guó)際空間站的“星辰”號(hào)服務(wù)艙中。SFOG也被稱為氧燭或氯酸鹽蠟燭，燃料罐內(nèi)裝有粉狀氯酸鈉（NaClO3）和鐵粉（Fe）的混合物。當(dāng)SFOG被點(diǎn)燃之后，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（也就是食鹽，NaCl）和氧氣（O2），其中的一些氧氣與鐵結(jié)合生成氧化鐵（FeO）：

NaClO3（s）+ Fe（s）3O2（g）+ NaCl（s）+ FeO（s）

每千克混合物通過(guò)SFOG能夠提供6.5人·小時(shí)的氧氣，俄羅斯的宇航服也使用SFOG來(lái)制造氧氣。

航天員丹尼爾·W·博奇是遠(yuǎn)征4號(hào)航天任務(wù)的飛行工程師，他正在“星辰”號(hào)服務(wù)艙中檢修俄羅斯的電解氧發(fā)生器（Elektron）

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如何消除二氧化碳？

當(dāng)我們的細(xì)胞分解食物時(shí)，我們身體中就會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，然后通過(guò)呼氣將二氧化碳釋放出去。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)，如航天飛機(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)艙的空氣中去除。大多數(shù)航天飛機(jī)僅僅依靠含有粉末狀氫氧化鋰的過(guò)濾器來(lái)清除二氧化碳：當(dāng)含有二氧化碳（CO2）的空氣通過(guò)過(guò)濾器時(shí)，二氧化碳就會(huì)與氫氧化鋰（LiOH）結(jié)合，生成碳酸鋰（Li2CO3）和水（H2O）：

CO2(g) + 2LiOH (s) Li2CO3(s) + 3 H2O (l)

一旦所有的氫氧化鋰用完，就必須將過(guò)濾器丟棄并更換成新過(guò)濾器。

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。國(guó)際空間站仍在使用氫氧化鋰過(guò)濾器，但是空間站上還有一項(xiàng)新技術(shù)——利用分子篩來(lái)吸收二氧化碳。消防員和礦工使用的SCUBA呼吸器和個(gè)人氧氣裝置也必須要清除二氧化碳，其中一些呼吸器使用了氫氧化鋰過(guò)濾器，但是其他呼吸器利用的是涉及超氧化鉀（KO2）的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)超氧化鉀跟來(lái)自人類呼吸的水蒸氣（H2O）和二氧化碳（CO2）結(jié)合時(shí)，就會(huì)吸收二氧化碳并產(chǎn)生氧氣和碳酸氫鉀（KHCO3）：

4KO2(s) + 4CO2(g) + 2H2O (g) 4KHCO3(s) + 3O2(g)

反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生熱量，因此人們知道超氧化鉀什么時(shí)候用完，用完后溫度就不再上升。該系統(tǒng)還有額外的優(yōu)勢(shì)：既能供應(yīng)氧氣，又能清除二氧化碳。

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)艙包含著二氧化碳清除組件（CDRA），CDRA系統(tǒng)是利用分子篩技術(shù)來(lái)清除二氧化碳的。這里利用的分子篩是沸石——二氧化硅和二氧化鋁的晶體，這種晶體的排列呈細(xì)微的網(wǎng)孔狀，網(wǎng)孔的開(kāi)口大小一致，允許某些分子進(jìn)入其中，被分子篩捕獲。CDRA系統(tǒng)有四層，由兩種不同的沸石構(gòu)成的，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)，水分被截留下來(lái)，水分就從空氣中被清除出去；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出去。然后，冒出來(lái)的空氣就是干燥、不含二氧化碳的氣體了。

跟用完后就被廢棄的氫氧化鋰過(guò)濾器不同，CDRA系統(tǒng)中的沸石可以重復(fù)利用。沸石層內(nèi)的電子加熱元件可以使沸石升溫，將捕獲的水蒸氣和二氧化碳釋放掉。二氧化碳被排放到外太空，而水蒸氣經(jīng)過(guò)凝結(jié)之后被回收使用。CDRA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)揮用。CDRA系統(tǒng)是國(guó)際空間站從艙內(nèi)空氣中清除二氧化碳的主要方法，而氫氧化鋰過(guò)濾器是當(dāng)作備用系統(tǒng)的。

航天員在空間站安裝薩巴蒂爾系統(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（Sabatier）”的新系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)吸收CDRA系統(tǒng)清除的二氧化碳（CO2），將其跟氫氣（H2）結(jié)合，生成液態(tài)水（H2O）和甲烷氣體（CH4），然后甲烷可以排放到外太空。該系統(tǒng)所利用的氫氣是由俄羅斯電解氧發(fā)生器（Elektron）和美國(guó)環(huán)控生保系統(tǒng)（ECLSS）的水電解系統(tǒng)產(chǎn)生的。

面向未來(lái)更長(zhǎng)期的太空駐留任務(wù)，科學(xué)家們寄希望于新一代環(huán)控生保系統(tǒng)—受控生態(tài)生保系統(tǒng)，其能夠通過(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們提供食物。然而，由于空間站上的生活空間是有限的二氧化碳報(bào)警器，科學(xué)家們必須解決一個(gè)問(wèn)題：該如何在狹小的空間內(nèi)種植大量的作物。

編譯/胡德良

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