3名航天員每天要1650升氧氣,執行180天任務所需的氧氣從何而來?


對於人類而言,氧氣和水是人類生存的物質基礎。在地球表面,大氣當中就有21%是氧氣,乾淨的淡水雖然不易獲取,但通過現代化技術,也可以確保淡水的供應。可我們要知道的是,空間站一般是在距離地面400公里的高度,這裡大氣稀薄,幾乎是真空狀態,沒有氧氣,也沒有淡水。那麼問題來了,3名航天員在空間站生活時,每天所需1650升氧氣,執行180天左右的任務需要大量的氧氣,那這些氧氣從何而來?


國際空間站

這裡我們以國際空間站為例。國際空間站是1993年由全球16個國家建造的,90年代末開始投入使用,至今有20多年的時間。那國際空間站這麼長時間以來,是如何確保國際空間站的氧氣和淡水的供應呢?


國際空間站所處的高度是350公里-400公里的軌道高度,在這個高度上,太空當中幾乎是沒什麼東西的。因此,不可能實現就地取材。那有沒有可能把氧氣和水送上去?

實際上,直接送氧氣上去是十分不划算的。雖然可以通過壓縮氧氣,但是氧氣不僅不穩定,還很不安全,我們來舉個例子:

1967年1月27日,阿波羅1號太空船,在進行一次例行的測試中,指令艙內發生火警,僅僅幾秒內,火勢就迅速蔓延,完全失去了控制,地面人員花了五分時間才成功開啟艙門,並控制住火勢。悲劇的是,當時在艙內的三位宇航員全部喪生。


經過仔細地事故調查,調查人員發現,火災是由太空船內某處電線產生的火花。照理說,如果只是電線火花,不應該發生這樣的事件。問題的核心其實出在了當時太空船內是純氧的環境,氧氣是極佳的助燃劑,只要一星半點火花,就可以被快速引燃。

如果直接運氧氣上去,非常不安全,不僅在運輸過程中有安全隱患,在輸入到空間站的過程中以及空間站使用氧氣的過程中,如果也出現“火花”,那後果不堪設想。所以,只能考慮其他的辦法。

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除了直接送氧氣上去之外,比較便捷的方式就是在空間站當中製備氧氣。最常見的方法就是:電解水。電解水之後,水會分解成:氫氣和氧氣。用這種方式在地球表面製備氧氣是很不經濟的,主要是因為地球上有很多水資源,而用這種方式製備太費電,浪費能源。不過,在太空當中,空間站可以利用太陽能板來獲取太陽能,通過太陽能發電來分解水,可以說是一個不錯的選擇。可能有人要問了,產生的氫氣要如何處理?畢竟氫氣也屬於易燃氣體,也可能會引發安全隱患。


具體來說是這樣的,宇航員在太空中吸入氧氣後,會換出二氧化碳,然後收集這些二氧化碳和氫氣進行反應,生成甲烷和水。最後,把甲烷排出空間站,然後留下水繼續使用。在空間站中,只需要分解1升的水(也就是我們常見的兩瓶礦泉水的量),就可以製備620升的氧氣,而一個宇航員一天所需要氧氣量是550升,也就是說,電解一升水,不僅夠航天員一天的氧氣量,還有剩餘。


空間站的水

水也是航天員急需的,所以問題其實就轉換成了,空間站的水是如何保證的?

實際上,空間站的水確實是通過貨運飛船送上去的。這些水會裝成一個個“包”,每個水包都有20升的水,也就是說,一個水包裡的水就夠22天氧氣的供應。不過,這些“水包”並不是用來電解生成氧氣的,因為這樣做實在太浪費了。


宇航員每天在空間站當中,需要用到很多水,把水送到空間站並不容易,成本高昂。因此,這些水需要被非常高效地利用。在空間站當中,有一個水迴圈系統。其中,這個系統會把宇航員在工作和生活中用掉的水,空氣中的水蒸氣,甚至是航天員的尿液、汗液、都收集起來,進行廢水處理,會進行多次的蒸餾、分離、過濾,最終將這些廢水轉化為可以飲用的水。然後,再利用這些水進行電解,得到氧氣和氫氣,給航天員供應氧氣。

這裡要補充一下,供應給航天員的氧氣並非是純氧,而是氧氣和氮氣的混合氣體,這主要目的就是為了安全。空間站這樣的水迴圈系統,就可以最大程度地節約用水。


總結

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通過空間站的水迴圈系統和電解水的方式,只需要貨運飛船定期往空間站運送“水包”,就可以確保空間站“水”和“氧氣”的供應。除此之外,除了正常的氧氣供應之外,空間站上還有一些“備份”,比如:氧氣瓶,還配備了氯酸鈉和鐵的固體粉末混合物,只要點燃這個固體粉末,就可以釋放出氧氣。

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