3名航天員太空生活180天,氧氣從何而來?太空中獲取氧氣有多難?
前不久,神舟13號飛船順利升空,三名宇航員將要在太空生活180天。氧氣、水和食物是人類生存必需的基礎(chǔ)條件,根據(jù)美國宇航局的計算,一名宇航員在空間站上正常生活,每天需要3077克水、618克食物和836克氧氣。但是,太空中沒有水和氧氣,維持宇航員長久生存的水和氧氣從何而來?僅僅依靠從地球攜帶的物資,能夠滿足他們的日常所需嗎?
在地球上,氧氣無處不在。但到了太空,氧氣就變得無比珍貴。人類探索星辰太空的腳步,從來都是危險重重。大家看起來瀟灑飄逸的航天生活,其實隱藏著太多的危機(jī)。借此機(jī)會向偉大的航天英雄們致敬!
一、什么是氣體平衡三定律?
要想搞清楚空間站中的氧氣到底從何而來,就必須先了解航天事業(yè)重要的組成部分——生物再生生命保障系統(tǒng)。而這一系統(tǒng)的第一關(guān)鍵就是實現(xiàn)氣體平衡。
在總結(jié)分析人類60余年航空探索的經(jīng)驗基礎(chǔ)上,北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院教授,月宮一號總設(shè)計師,首席科學(xué)家劉紅教授將氣體平衡三定律確定為:
第一定律:人的食物均來源于系統(tǒng)內(nèi)生物合成,產(chǎn)生的氧氣必定滿足人的呼吸需求。
第二定律:系統(tǒng)外的有機(jī)物輸入,必須用系統(tǒng)內(nèi)合成的相同呼吸上的有機(jī)物輸出平衡。
第三定律:生物自組織不能保持系統(tǒng)的平衡,必須人工干預(yù)調(diào)控。
要想實現(xiàn)太空環(huán)境下的氣體平衡,必須考慮三個方面。一是氧氣的補(bǔ)充,二是太空艙和空間站大氣壓力的維持,三是人員呼吸所產(chǎn)生二氧化碳等有害氣體的去除。
補(bǔ)充氧氣和實現(xiàn)空間站的大氣壓力穩(wěn)定,目前主要有兩種技術(shù)路線。一條是美國技術(shù)路線,另一條是蘇俄技術(shù)路線。美國航天員,通過攜帶液氮和液氧方式,到了太空之后再進(jìn)行電加熱方式,獲得氧氣,并維持太空站和空間艙的氣壓穩(wěn)定。蘇俄航天員主要采用高壓氧氣瓶和氮氣瓶,到了太空再進(jìn)行減壓操作,來維持氣壓的穩(wěn)定。
至于說在太空生活所產(chǎn)生的二氧化碳等廢氣,一方面回收再利用,另一方面直接排到太空中。
二、航天員太空生活所需氧氣從何而來?
航天員飛離大氣層后,在太空遨游,首要解決的問題就是如何獲得足夠的氧氣供應(yīng),并處理航天員及其他生物產(chǎn)生的廢氣。
經(jīng)過科學(xué)家?guī)资耆缫蝗盏难芯浚壳昂教靻T在太空中生存所需的氧氣主要來源于三個方面。
一是由地球攜帶的純氧氧氣瓶。
二是利用電解水的方法產(chǎn)生氧氣。
三是采取固體氧氣發(fā)生器裝置,利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氧氣。
如果是短時間的太空旅行,航天員生活在太空艙中,依靠從地球攜帶的氧氣瓶,就足以維持氧氣供應(yīng)。但如果長期在太空站中生活,緊緊依靠氧氣瓶,并不保險。所以現(xiàn)在國際通行的做法,主要是通過電解水方式產(chǎn)生氧氣。
一方面,氧氣是助燃劑。如果在運(yùn)送過程中發(fā)生泄漏引起火災(zāi),就會造成重大的安全事故。大量的氧氣瓶存儲在空間站中,也會出現(xiàn)一定的安全風(fēng)險。
另一方面,如果要把氧氣送入太空,必須將其液化并存儲于密封容器之中。高壓低溫狀態(tài)的氧氣,送入太空不如直接運(yùn)水更劃算。
相對而言,水更容易存儲,且安全穩(wěn)定性更好。根據(jù)實驗表明,一升水可以電解620升氧氣。一個宇航員一天只需要消耗550升氧氣,因此如果是三名宇航員的話,每天電解6瓶500毫升的礦泉水,足以保證他們的氧氣供應(yīng)。
我國往空間站上運(yùn)水,主要采用天舟系列貨運(yùn)飛船,每20升水作為一個水包。這些水包運(yùn)到空間站中之后,既可以用來電解產(chǎn)生氧氣,還可以給航天員供應(yīng)日常生活用水。如果一個水包單純用作氧氣供應(yīng),電解之后產(chǎn)生的氧氣足夠一名航天員呼吸22天。
當(dāng)然,在空間站中,水也是無比寶貴的資源。所以,整個航天員的生命保障系統(tǒng)中擁有專門的水循環(huán)系統(tǒng),收集一切可以收集的廢水,比如航天員的尿液、洗漱用水和空氣中的水氣等,都會進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng),通過多重蒸餾凈化分離,變成重新可以飲用的水。
電解水所需的電能,主要由太陽能電池板提供,產(chǎn)生的氧氣供航天員呼吸,而氫氣會當(dāng)做廢氣排出。航天員在空間站生活產(chǎn)生的二氧化碳、硫化氫和氨氣等廢氣,也會通過環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)進(jìn)行有效清除。
當(dāng)然,空間站中,除了電解水補(bǔ)充氧氣之外,也會常備一些純氧氧氣瓶和固態(tài)氧,以備不時之需。
總而言之,航天員在太空中生活所需的氧氣,會通過特定的生物再生生命保障系統(tǒng)來解決,讓他們的安全沒有后顧之憂。
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