宇宙旅行中，航天员呼吸的空气从何而来？

引言

北京时间2021年10月16日0时23分，神舟十三号载人飞船成功发射，翟志刚、叶光富、王亚平三名宇航员顺利进入太空，飞船入轨后，与天和核心舱和天舟二号、天舟三号组合体进行自主交会对接，三名宇航员将在我国空间站内开始为期6个月的在轨生活与科学研究，研究任务包括有开展机械臂操作、出舱活动、再生环保等。半年时间，如期而至，2022年4月16日9时56分，中国神舟十三号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆，飞行任务取得圆满成功。神舟十三号飞行任务的成功是我国载人航天新的突破，为我国载人航天事业的下一步发展打下了坚实的基础，它的成功着陆引起了海内外各界人士的密切关注，令全体中国人民感到骄傲和自豪。

图 1 我国空间站示意图（图片来源于网络）

在我国成功发射神舟十三号载人飞船以后，世界各地都有拍摄到夜晚星空下我国空间站的照片，甚至坊间传闻在天气状况优异的条件下，夜晚用肉眼就可以观察到我国空间站，虽然有待考证，但笔者也曾这样观察过，但由于雾霾、浮尘等天气使得空气质量较差，尤其在春夏交接之际更甚，西北地区人们大抵都能感受到这种气候的变化，所以夜晚仅凭肉眼是难以观察到的。这种空气质量的下降对人们的日常生活以及健康有着很大的影响，在地球上尚且大气充足，空气质量都会变差，那么在宇宙真空环境中，外界没有空气的情况下，用于空间站中宇航员生命活动的空气从何而来？以及当空间站中的空气质量下降时，又是如何净化处理这些空气的呢？那带着这两个疑问，让我们走进今天的科普内容，用科学解答疑惑。

图 2 北京地区拍摄的中国空间站过境轨迹图（图片来源于北京天文馆）

空间站中的空气来自哪里

当我们观看电视新闻，发现宇航员不用携带氧气罐就可以在空间站内呼吸，说明空间站内存在维持人体生活需要的空气。我们知道，在地球上空气的组成比例大概是N2占78%、O2占21%、其余稀有气体以及CO2气体、水蒸气等总和约占1%。而维持人类生存的主要气体是O2，在早期人类空间站项目研究上，对空间站内部气体采用纯氧设计，但由于地面实验时该方案产生了重大事故，纯氧对人体健康有害，科学家们随后采用与地球环境相似的空气比例来设计空间站的空气组成，并一直保留至今。

与地球环境不同的是，空间站中没有稀有气体以及CO2等气体，理论来讲更为纯净。由于人体从空气中吸入的气体进出人体前后N2比例基本不变，而氧气会转化为CO2被人体呼出，所以空间站内部需要补充O2以及处理呼出的CO2气体。

在地球上，维持人体生存的基本物质有水、食物以及O2，而在空间站中亦是如此，那么这些基本物质怎么从地球带到空间站呢？这就需要货运飞船来帮忙了，通过定期发射货运飞船可以将水以及食物带到空间站中，满足宇航员生活需要，可是氧气不能大量地通过该方式运输，所以这就要求空间站内要有可以产生O2的装置。

简单来讲，空间站中氧气的来源主要有两种方式：

1、货运飞船运输，它只能携带少量O2，无法一次性满足宇航员在轨期间的生活所需，由于运输成本昂贵等原因，其主要为空间站内出现紧急情况时提供不时之需；

2、电化学制备O2（电解水）；在空间站中氧气最主要的来源途径是电解水制备氧气，在这里我们着重介绍。

图 3 电解水（图片来源于网络）

在空间站中，有一套装置叫做氧气生成系统，它产生O2的化学原理我们其实并不陌生，我们在中学化学就学习过电解水制备氧气的实验，宇宙空间站中也是通过电解水制备O2，其具体原理如下：因为纯水的导电性并不出色，向纯水中添加稳定电解质会增强电荷的传导能力使之降低电阻，电解质的选择通常为强碱，如KOH或者NaOH。在电极两端阴极发生还原反应，阳极发生氧化反应，具体反应方程式为：

阴极：4e-+4H2O→2H2↑+4OH-

阳极：4OH-→2H2O+O2↑+4e-

总反应：2H2O→2H2+O2

电解过程中，水无法直接变为O2和H2，而是水分子先在阴极发生O-H键断裂，生成一个OH-和一个H+，而H+和另一个水分子产生的H+结合，从而形成H2。而OH-会往阳极迁移，在阳极上断键，生成O离子和H离子，其中一个H离子和未分解的OH-结合，形成水，剩下的O离子则结合产生O2，随后阳极会释放出未成形的电子，从而维持体系的电荷平衡。制备的氧气可以用于宇航员生活，而氢气可以用于CO2的还原，把CO2转换为水和甲烷，水可以回收利用，甲烷可直接排出空间站。

图 4 空间站氧气罐（图片来源于网络）

电解水所需要的电能可由太阳能电池板进行储能利用，而空间站中的水从哪里来，需要电解多少水才能满足需要，其实这些问题早已被科学家解决，在空间站中，水可以通过运载飞船运输，而空间站中有着一套规整的水循环系统，可以满足水的循环利用，比如人体尿液就会被蒸发形成水蒸气再次参与循环中，此外宇航员一天消耗大约550升的氧气，通过电解水制备氧气，一升水可以获得620升的氧气。每天消耗不到一升水制取氧气，就够一名宇航员呼吸使用了。参与神舟十二号任务的聂海胜、刘伯明和汤洪波，在空间站生活了三个月，用了不到270升的水制取氧气就满足了生活所需。以上就是宇宙空间站内空气的主要来源。

空间站内的空气是如何净化的

在空间站里面，空气质量对人体健康至关重要，干净的空气是宇航员健康生命的保障，但是，空间站内的空气并不是一直都干干净净，空间站内的空气污染主要来源于人体排出物和非金属材料挥发物以及科研仪器设备挥发物。人体通过肺以及肠道、皮肤会排出大量挥发性气体，例如人体会呼出CO2气体，人体放屁会释放硫化氢气体，男性皮肤会通过汗液释放体香等。

而空间站里面的许多材料除了金属材料外还有大量非金属材料，例如橡胶、塑料、纤维、粘合剂等，这些材料会产生多类挥发性污染物，而科研仪器电器元件设备发热也会产生许多挥发性污染物，如苯、甲醛、氨等。虽然这些污染物的释放是缓慢的，但试想宇航员若长期生活在这种环境中，势必对其健康造成影响，那么，空间站中是怎样清理这些污染物的呢？空间站中清洁空气利用的方式最主要的是吸附，以高效活性炭作为吸附剂吸附空间站内的臭气以及碳氢化合物等，主要通过微量污染物控制装置来实现，微量污染物控制装置主要由活性炭炭罐组成，可清除人体排便产生的臭气以及空间站中其它微量污染物[1]。

在空间站中的主要清洁对象其实是CO2，CO2是空间站中危害最大的气体，一名宇航员吸入氧气有500多升，可是呼出的CO2却也有490多升，若是不及时清理CO2，空间站内CO2浓度持续增加对宇航员人体健康极为不利，美国、俄罗斯以及国际空间站对空间站内的CO2含量都有着明确规定[2]。

CO2的主要清除方式有以下几类：

1、非再生式技术

该技术采用氢氧化物和超氧化物为非再生化学反应剂，主要为无水LiOH、KOH和 KO2混合物，采用化学反应的方式去除CO2，主要的反应方程式如下所示：[3]

2LiOH+2H2O=2LiOH·H2O

2LiOH·H2O+CO2=Li2CO3+3H2

总反应：2LiOH+H2O+CO2=Li2CO3+2H2O

无水LiOH会吸收空间站内的水分，生成LiOH·H2O，随后LiOH·H2O可与CO2反应生成Li2CO3，从而清除CO2。此外KO2作为氧化剂也可与CO2发生反应，不仅去除CO2还可生成O2供宇航员利用，其反应方程式如下：

4KO2+2CO2= 2K2CO3+ 3O2

LiOH清除 CO2的反应主要在如图5所示的装置中进行，LiOH会逐渐消耗，当其消耗完，另一端CO2浓度变大，该反应装置就失效了。这一技术是空间站中CO2去除最常见的一种方式，发展已经十分成熟，但只适用于短时间在轨驻留。

图 5 LiOH反应吸收CO2反应装置[4]

2、固态胺技术

固态胺技术是一种真空吸附技术，将液胺固化后作为吸附剂，填充在反应床上进行CO2的去除，固态胺可以与CO2发生化学反应去除CO2气体，其反应方程式为CO2+R2NH+H2O→R2NH++HCO3-，该流化床装置示意图如图6 所示。

图 6 固态胺设备实物[5]

图 7 固态胺清除CO2原理图[4]

3、四床分子筛技术

四床分子筛利用5A沸石作为吸附剂去除CO2，且在高温下可再生，由于对水敏感，吸附前对5A沸石进行硅胶干燥，再进行吸附，所以分两个工段进行，第一个为硅胶床干燥，第二个为吸附床CO2吸附。两床为干燥床，两床为吸附床，具体流程为湿的CO2气体先进入硅胶床干燥，后经过干燥后进入沸石吸附床，吸附后的CO2可直接排出或者进入收集装置[3]。其分子筛装置如图8所示。

图 8 四床分子筛装置示意图[4]

图 9 四床分子筛实物图[6]

目前，我国十三号载人飞船座舱空气净化所采用的主要是非再生式二氧化碳净化方案，利用无水氢氧化锂作为二氧化碳的净化剂。净化罐采用流阻小、反应效率较高的径向流通模式。通过专用风机将座舱大气引入净化罐，净化后的空气再重新流回座舱。而在我国空间站内，针对长期在轨驻留最主要采用吸附的手段进行CO2的去除，利用的方法为分子筛技术，分子筛可以吸收航天员排出的二氧化碳，同时可利用舱外真空资源实现二氧化碳的脱附，将其排入太空，吸附脱附过程有效实现了CO2的净化。但目前只是实现了CO2的去除，能否将其科学回收利用进行转化仍在研究中，期待未来的进一步突破。

结语

空间站的建设是一个国家综合国力的体现，但空间站的安全检查以及维护至关重要，宇航员的身体健康是开展科研任务的保障，本篇科普内容以空间站的空气安全为讨论对象，对空间站空气的由来以及空间站空气的净化进行了分享，希望对航天化学感兴趣的你有所帮助。