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國際空間站：氧氣產生的三種方式

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，這是一種奇妙而穩(wěn)定的循環(huán)。

在航天飛機或空間站之類的航天器上，密封艙空間狹小，又會發(fā)生怎樣的情況呢？多數航天飛機都自帶氧氣供應，而且還會有一個備用系統(tǒng)。然而，這些航天飛機的航天任務持續(xù)時間不長，大約從幾天到兩周之間。

相比之下，國際空間站自從1998年就進入了軌道，是為長期航天飛行任務而設計的。那么，國際空間站上的氧氣是如何供應的呢？國際空間站上有三種供應氧氣的方式：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

國際空間站上制造氧氣主要是通過氧氣發(fā)生器來完成的，如：俄羅斯制造的電解氧發(fā)生器（Elektron）和美國環(huán)控生保系統(tǒng)（ECLSS），Elektron位于“星辰”號服務艙，而ECLSS位于“命運”號實驗艙，這些設備通過電解過程利用水來制造氧氣。在電解過程中，電流穿過水從一個帶正電的電極（被稱為陽極）到另一個帶負電的電極（被稱為陰極）。由于水本身是電的不良導體，所以水中含有低濃度的鹽分。在這一過程中，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。來自陰極的電子跟水（H2O）結合形成氫氣（H2）和氫氧根離子（OH-）：2H2O (l) + 2e- H2(g) + 2OH- (aq)。在陽極處，發(fā)生一種氧化反應。電子從水中剝離并流入陽極。從水中剝離電子的過程產生氧氣（O2）和氫離子（H+）：2H2O（1）O2（g）+ 4e- + 4H +。

電能是由空間站上的太陽能電池板產生的二氧化碳，通過空間站的電網輸送到氧氣發(fā)生器中；水是通過“進步”號貨運飛船和航天飛機從地球運送到空間站的。航天員呼出水蒸氣，因此也可以利用冷凝器把水從艙內空氣的水蒸氣中回收。

最終，通過ECLSS裝置二氧化碳，還可以把水從航天員的尿液中回收。電解過程中產生的氫氣被排放到太空，氧氣則輸入到艙內空氣中參與循環(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，氧氣不是制造出來的，而是從地球輸送到空間站的。當歐洲自動轉移飛行器（ATV）、“進步”號貨運飛船或美國的航天飛機在空間站實現對接的時候硫化氫檢測儀，它們?yōu)榭梢愿邏簹馄垦a充氧氣。此外，這些飛行器也可補充高壓氮氣?？臻g站上的大氣控制裝置按照地球大氣的組成比例動態(tài)調整艙內氣體組份。

第三種方法是通過化學反應來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），位于國際空間站的“星辰”號服務艙中。SFOG也被稱為氧燭或氯酸鹽蠟燭，燃料罐內裝有粉狀氯酸鈉（NaClO3）和鐵粉（Fe）的混合物。當SFOG被點燃之后，鐵粉在1112°F（600℃）時發(fā)生“燃燒”現象，為反應提供所需的熱能。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SFOG能夠提供6.5人·小時的氧氣，俄羅斯的宇航服也使用SFOG來制造氧氣。

航天員丹尼爾·W·博奇是遠征4號航天任務的飛行工程師，他正在“星辰”號服務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？

當我們的細胞分解食物時，我們身體中就會產生二氧化碳，然后通過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，如航天飛機或空間站內部，如果不加控制，二氧化碳濃度可能會不斷升高。由于二氧化碳是有毒的，所以濃度過高就會造成問題。隨著周圍空氣中的二氧化碳濃度增加，人們將會發(fā)生如下癥狀：

在地球上，植物可以通過光合作用來清除二氧化碳。植物吸收二氧化碳，釋放氧氣。然而在航天飛機中，必須通過化學過程將二氧化碳從機艙的空氣中去除。大多數航天飛機僅僅依靠含有粉末狀氫氧化鋰的過濾器來清除二氧化碳：當含有二氧化碳（CO2）的空氣通過過濾器時，二氧化碳就會與氫氧化鋰（LiOH）結合，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，就必須將過濾器丟棄并更換成新過濾器。

氫氧化鋰過濾器并不是太空中解決二氧化碳問題的唯一辦法。國際空間站仍在使用氫氧化鋰過濾器，但是空間站上還有一項新技術——利用分子篩來吸收二氧化碳。消防員和礦工使用的SCUBA呼吸器和個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濾器，但是其他呼吸器利用的是涉及超氧化鉀（KO2）的化學反應。當超氧化鉀跟來自人類呼吸的水蒸氣（H2O）和二氧化碳（CO2）結合時，就會吸收二氧化碳并產生氧氣和碳酸氫鉀（KHCO3）：

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

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

在國際空間站上，美國命運實驗室和3號節(jié)點艙包含著二氧化碳清除組件（CDRA），CDRA系統(tǒng)是利用分子篩技術來清除二氧化碳的。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微的網孔狀，網孔的開口大小一致，允許某些分子進入其中，被分子篩捕獲。CDRA系統(tǒng)有四層，由兩種不同的沸石構成的，13x沸石吸收水，5A沸石吸收二氧化碳。當空氣通過13x沸石層時，水分被截留下來，水分就從空氣中被清除出去；干燥的空氣進入5A沸石層時，二氧化碳被捕獲并被清除出去。然后，冒出來的空氣就是干燥、不含二氧化碳的氣體了。

跟用完后就被廢棄的氫氧化鋰過濾器不同，CDRA系統(tǒng)中的沸石可以重復利用。沸石層內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，而水蒸氣經過凝結之后被回收使用。CDRA系統(tǒng)設有獨立的控制裝置，系統(tǒng)的一半主動地從空氣中清除二氧化碳和水分，同時另一半進行回收利用，兩部分交替發(fā)揮用。CDRA系統(tǒng)是國際空間站從艙內空氣中清除二氧化碳的主要方法，而氫氧化鋰過濾器是當作備用系統(tǒng)的。

航天員在空間站安裝薩巴蒂爾系統(tǒng)

2010年10月，國際空間站上安裝了一個被稱為“薩巴蒂爾（Sabatier）”的新系統(tǒng)，這個系統(tǒng)吸收CDRA系統(tǒng)清除的二氧化碳（CO2），將其跟氫氣（H2）結合，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）和美國環(huán)控生保系統(tǒng)（ECLSS）的水電解系統(tǒng)產生的。

面向未來更長期的太空駐留任務，科學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)，其能夠通過種植作物而自然地產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，而且還能夠為航天員們提供食物。然而，由于空間站上的生活空間是有限的二氧化碳報警器，科學家們必須解決一個問題：該如何在狹小的空間內種植大量的作物。

編譯/胡德良

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