3名航天员太空生活180天,氧气从何而来?太空中获取氧气有多难?

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前不久,神舟13号飞船顺利升空,三名宇航员将要在太空生活180天。氧气、水和食物是人类生存必需的基础条件,根据美国宇航局的计算,一名宇航员在空间站上正常生活,每天需要3077克水、618克食物和836克氧气。但是,太空中没有水和氧气,维持宇航员长久生存的水和氧气从何而来?仅仅依靠从地球携带的物资,能够满足他们的日常所需吗?

在地球上,氧气无处不在。但到了太空,氧气就变得无比珍贵。人类探索星辰太空的脚步,从来都是危险重重。大家看起来潇洒飘逸的航天生活,其实隐藏着太多的危机。借此机会向伟大的航天英雄们致敬!

一、什么是气体平衡三定律?

要想搞清楚空间站中的氧气到底从何而来,就必须先了解航天事业重要的组成部分——生物再生生命保障系统。而这一系统的第一关键就是实现气体平衡。

在总结分析人类60余年航空探索的经验基础上,北京航空航天大学生物与医学工程学院教授,月宫一号总设计师,首席科学家刘红教授将气体平衡三定律确定为:

第一定律:人的食物均来源于系统内生物合成,产生的氧气必定满足人的呼吸需求。

第二定律:系统外的有机物输入,必须用系统内合成的相同呼吸上的有机物输出平衡。

第三定律:生物自组织不能保持系统的平衡,必须人工干预调控。

要想实现太空环境下的气体平衡,必须考虑三个方面。一是氧气的补充,二是太空舱和空间站大气压力的维持,三是人员呼吸所产生二氧化碳等有害气体的去除。

补充氧气和实现空间站的大气压力稳定,目前主要有两种技术路线。一条是美国技术路线,另一条是苏俄技术路线。美国航天员,通过携带液氮和液氧方式,到了太空之后再进行电加热方式,获得氧气,并维持太空站和空间舱的气压稳定。苏俄航天员主要采用高压氧气瓶和氮气瓶,到了太空再进行减压操作,来维持气压的稳定。

至于说在太空生活所产生的二氧化碳等废气,一方面回收再利用,另一方面直接排到太空中。

二、航天员太空生活所需氧气从何而来?

航天员飞离大气层后,在太空遨游,首要解决的问题就是如何获得足够的氧气供应,并处理航天员及其他生物产生的废气。

经过科学家几十年如一日的研究,目前航天员在太空中生存所需的氧气主要来源于三个方面。

一是由地球携带的纯氧氧气瓶。

二是利用电解水的方法产生氧气。

三是采取固体氧气发生器装置,利用化学反应产生氧气。

如果是短时间的太空旅行,航天员生活在太空舱中,依靠从地球携带的氧气瓶,就足以维持氧气供应。但如果长期在太空站中生活,紧紧依靠氧气瓶,并不保险。所以现在国际通行的做法,主要是通过电解水方式产生氧气。

一方面,氧气是助燃剂。如果在运送过程中发生泄漏引起火灾,就会造成重大的安全事故。大量的氧气瓶存储在空间站中,也会出现一定的安全风险。

另一方面,如果要把氧气送入太空,必须将其液化并存储于密封容器之中。高压低温状态的氧气,送入太空不如直接运水更划算。

相对而言,水更容易存储,且安全稳定性更好。根据实验表明,一升水可以电解620升氧气。一个宇航员一天只需要消耗550升氧气,因此如果是三名宇航员的话,每天电解6瓶500毫升的矿泉水,足以保证他们的氧气供应。

我国往空间站上运水,主要采用天舟系列货运飞船,每20升水作为一个水包。这些水包运到空间站中之后,既可以用来电解产生氧气,还可以给航天员供应日常生活用水。如果一个水包单纯用作氧气供应,电解之后产生的氧气足够一名航天员呼吸22天。

当然,在空间站中,水也是无比宝贵的资源。所以,整个航天员的生命保障系统中拥有专门的水循环系统,收集一切可以收集的废水,比如航天员的尿液、洗漱用水和空气中的水气等,都会进入循环系统,通过多重蒸馏净化分离,变成重新可以饮用的水。

电解水所需的电能,主要由太阳能电池板提供,产生的氧气供航天员呼吸,而氢气会当做废气排出。航天员在空间站生活产生的二氧化碳、硫化氢和氨气等废气,也会通过环境控制与生命保障系统进行有效清除。

当然,空间站中,除了电解水补充氧气之外,也会常备一些纯氧氧气瓶和固态氧,以备不时之需。

总而言之,航天员在太空中生活所需的氧气,会通过特定的生物再生生命保障系统来解决,让他们的安全没有后顾之忧。

来源:山九

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