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宇航員在太空執行任務時間,維持在了180天,所需氧氣從何而來?

Ashin 2023/01/13

隨著中國空間站的建設進入了收尾階段,人們也通過直播或者新聞報道,更詳細了解到了宇航員們在空間站當中的日常生活。

除了關心他們的衣食起居,大家也很關心他們的「呼吸」問題,畢竟從直播畫面來看,宇航員在艙內是沒有佩戴任何「吸氧」裝備的。

宇航員在空間站內生活時并未佩戴「吸氧」設備

但一般來說,一名航天員每天約需要550升氧氣,這個數量雖不大,但是累積起來卻很多,因為如今宇航員在太空中執行任務的天數都長達180天。

那麼,這麼長的時間里,他們所需的氧氣從何而來?宇航員的出差之旅會面臨無氧可吸的情況嗎?

航天員每日所需的氧氣量

雖然被譽為生命之源的往往是水,但是無色透明的氧氣也是人類生活中必不可少的東西,畢竟咱們不是厭氧生物。因此宇航員進入太空并在空間站中長期駐留時,首要面對的就是「呼吸」問題,如何為他們提供足夠的氧氣,也是過去地面研究人員關注的重點。

宇航員在太空中的呼吸問題備受關注

那麼,生活在太空中的宇航員每天需要多少氧氣呢?

根據科學測試來說, 人每次呼吸的空氣量大約為500毫升,若是按照正常每分鐘呼吸16次的頻率為基準來計算的話,一個人每天需要的空氣量大約1.1萬升。

而在這些空氣當中,吸入空氣中的氧含量為21%,呼出的則為16%左右,將二者結合,就能得出成人每次呼吸消耗的氧氣,大約是空氣量的5%,這些氧氣將會轉化為二氧化碳。

氧氣在干燥空氣中的占比

綜上所述, 每個宇航員在太空中一天消耗的氧氣量約為550升,3個人就是1650升。

當然,這個數據只是一個估算,不過每人550升的氧氣,確實足夠宇航員的日常生活了。如果只是生活幾天,那麼就可以用攜帶大量氧氣瓶的方式解決供氧的問題,但若是要在軌生活180天,就要使用其他方式了。

長期在軌生活,不能只依靠氧氣瓶

空間站內的氧氣來源

首先咱們來看看國際空間站當中的氧氣供給方式,畢竟在中國的天宮空間站搭建之前,國際空間站已經在太空中運轉已久,幫助了多名宇航員完成了在軌任務。

根據資料來看,國際空間站上的氧氣來源主要有兩個,分別是 高壓氧氣瓶和氧氣發生器。其中高壓氧氣瓶應該是大家最為熟悉的了,人們將地球上的氧氣輸入其中,然后放在空間站當中備用。

一般來說,這種氧氣瓶對于短期的飛行任務來說是足夠了,但是卻不足以宇航員長期在軌的氧氣消耗,更不用說還有3名宇航員。所以為了確保氧氣夠用,空間站上的氧氣發生器也發揮了關鍵的作用。

國際空間站當中有一些高壓氧氣瓶,是用來急用的

由于工作原理不同,氧氣發生器可以分成以下兩個類型,分別是 電解氧發生器和固體燃料氧氣發生器

相信大部分人都做過電解水的實驗,而電解氧發生器就是基于這一實驗原理來制造的,通過這一裝置,水可以被分解成氫氣和氧氣。在成功分解之后,氫氣會被排放出去,但是氧氣會被留下來,以供宇航員們呼吸。

電解水裝置的基本構造

固體燃料發生器,則是通過化學反應來制造氧氣,在這一裝置的燃料罐當中往往裝有氯酸鈉和鐵粉的混合物,在經過點燃燃燒之后,就會分解出氧氣。

資料顯示,每公斤氯酸鈉和鐵粉的混合物,再通過這一裝置以后,就能制造出可供6.5人呼吸1小時的氧氣。由此可見,這種制造氧氣的效率還是比較高的,美中不足之處就在于 需要攜帶大量的固體燃料。

固體氧氣發生器當中裝著氯酸鈉和鐵粉的混合物

正因如此, 我國的天宮空間站主要依靠的是電解制氧系統,通過電解水的方式來制造出大量的氧氣,讓其成為宇航員長期駐留的主要氧氣來源。

對此,可能有人會感到不解,因為電解水也需要充足的「水資源」,這就意味著人們要攜帶大量的水。這樣的話,這一方式就和固體燃料發生器的弊端差不多了,都得讓空間站「負重前行」。

實際上,之所以會讓電解氧成為空間站氧氣的主要來源,是因為人們掌握了「處理水」的技術,這就是 空間站再生生保系統起到的作用。

空間站當中配備了再生生保系統

再生生保系統的助力

空間站的環控生保系統主要包括三個方面的功能,分別是 環境控制、生命保障和應急生保,其中關鍵的再生生保系統是為空間站內提供氧氣、進化空氣和水循環回收的主要設備,對于宇航員們在空間站中的生活有著重要作用。

再生生保系統的三個功能及其分支

一般來說,再生生保系統主要由 電解制氧系統、二氧化碳去除系統、二氧化碳還原系統、水處理系統等多個系統共同構成,它們的「協調運轉」,讓宇航員在軌生活產出的廢水和廢氣成功再生。

其中的水處理系統, 它能將宇航員的汗液、尿液進行回收處理,將其進行深度凈化處理,使其滿足飲用水和電解制氧用水的需求

再生生保系統當中包括電解制氧系統、二氧化碳還原系統等等

在它啟用之后,就能確保空間站內形成「生態循環」,不但能為宇航員提供飲用水,還能讓電解制氧設備不缺乏「原材料」。

資料顯示,空間站3名航天員駐留期間, 每天電解耗水、飲用和衛生共需要約11kg水, 而通過空氣冷凝水和尿液蒸餾回收, 平均每日可以提供約8.8kg的水, 水資源閉合度約80%。

再生生保系統的水循環可以基本滿足宇航員在軌需求

當然,在經過一段時間后,空間站還是需要進行水資源補充,要通過這一方式來補足回收利用效率不足的缺口。

除此之外,再生生保系統還能讓空間站當中的空氣實現再生,它一方面能對艙內宇航員呼出的二氧化碳進行處理,另一方面能通過電解制氧和儲存供養設備,為宇航員提供充足的氧氣。

電解氧系統的基本結構

由此可見,再生生保系統的助力,解決了空間站內電解制氧設備「用水不足」的情況,使其能夠長期保持正常的工作,幫助宇航員們在艙內「正常呼吸」。

值得一提的是,雖然目前空間站內各種制氧設備的運行,滿足了人們的太空呼吸需求,但是研究人員依舊在尋找更多的制氧方法,希望未來能有更多的選擇。其中,就包括 使用「磁鐵」來幫人們呼吸。

磁鐵或許能幫助人們在太空呼吸

相關報道顯示,此前西班牙的一個研究團隊提出, 人們可以使用磁鐵來分離液體當中不同的成分,最終幫助人們獲得氧氣。其實這一方法,從本質上來說就和電解制氧差不多。

西班牙某研究團隊在研究使用磁鐵分離液體成分,幫助人們獲得氧氣

這一研究團隊認為,任何液體在磁場之下都可能會出現「極化」的現象,比如說水,它其實就是被磁鐵排斥的,只不過咱們沒有關注過。不過到了太空當中,這一排斥作用就會變得非常明顯,因此人們可以利用它來將液體當中的「氧氣」分離出來。

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