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国际空间站：氧气产生的三种方式

在地球上，我们拥有源源不断的新鲜空气。我们吸入氧气，呼出二氧化碳。通过光合作用，二氧化碳被植物回收利用。植物吸收二氧化碳，释放氧气。在极其广阔的范围内，这是一种奇妙而稳定的循环。

在航天飞机或空间站之类的航天器上，密封舱空间狭小，又会发生怎样的情况呢？多数航天飞机都自带氧气供应，而且还会有一个备用系统。然而，这些航天飞机的航天任务持续时间不长，大约从几天到两周之间。

相比之下，国际空间站自从1998年就进入了轨道，是为长期航天飞行任务而设计的。那么，国际空间站上的氧气是如何供应的呢？国际空间站上有三种供应氧气的方式：利用氧气发生器、高压氧气瓶或固体燃料氧气发生器（也称为“氧烛”）。

氧气发生器

国际空间站上制造氧气主要是通过氧气发生器来完成的，如：俄罗斯制造的电解氧发生器（Elektron）和美国环控生保系统（ECLSS），Elektron位于“星辰”号服务舱，而ECLSS位于“命运”号实验舱，这些设备通过电解过程利用水来制造氧气。在电解过程中，电流穿过水从一个带正电的电极（被称为阳极）到另一个带负电的电极（被称为阴极）。由于水本身是电的不良导体，所以水中含有低浓度的盐分。在这一过程中，水被分解为氢气和氧气。

在阴极处二氧化碳，发生还原反应。来自阴极的电子跟水（H2O）结合形成氢气（H2）和氢氧根离子（OH-）：2H2O (l) + 2e- H2(g) + 2OH- (aq)。在阳极处，发生一种氧化反应。电子从水中剥离并流入阳极。从水中剥离电子的过程产生氧气（O2）和氢离子（H+）：2H2O（1）O2（g）+ 4e- + 4H +。

电能是由空间站上的太阳能电池板产生的二氧化碳，通过空间站的电网输送到氧气发生器中；水是通过“进步”号货运飞船和航天飞机从地球运送到空间站的。航天员呼出水蒸气，因此也可以利用冷凝器把水从舱内空气的水蒸气中回收。

最终，通过ECLSS装置二氧化碳，还可以把水从航天员的尿液中回收。电解过程中产生的氢气被排放到太空，氧气则输入到舱内空气中参与循环。

高压氧气瓶或固体燃料氧气发生器

第二种方法是携带高压氧气瓶，氧气不是制造出来的，而是从地球输送到空间站的。当欧洲自动转移飞行器（ATV）、“进步”号货运飞船或美国的航天飞机在空间站实现对接的时候硫化氢检测仪，它们为可以高压气瓶补充氧气。此外，这些飞行器也可补充高压氮气。空间站上的大气控制装置按照地球大气的组成比例动态调整舱内气体组份。

第三种方法是通过化学反应来制造氧气的备用系统，该系统被称为固体燃料氧气发生器（SFOG），位于国际空间站的“星辰”号服务舱中。SFOG也被称为氧烛或氯酸盐蜡烛，燃料罐内装有粉状氯酸钠（NaClO3）和铁粉（Fe）的混合物。当SFOG被点燃之后，铁粉在1112°F（600℃）时发生“燃烧”现象，为反应提供所需的热能。氯酸钠分解成氯化钠（也就是食盐，NaCl）和氧气（O2），其中的一些氧气与铁结合生成氧化铁（FeO）：

NaClO3（s）+ Fe（s）3O2（g）+ NaCl（s）+ FeO（s）

每千克混合物通过SFOG能够提供6.5人·小时的氧气，俄罗斯的宇航服也使用SFOG来制造氧气。

航天员丹尼尔·W·博奇是远征4号航天任务的飞行工程师，他正在“星辰”号服务舱中检修俄罗斯的电解氧发生器（Elektron）

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如何消除二氧化碳？

当我们的细胞分解食物时，我们身体中就会产生二氧化碳，然后通过呼气将二氧化碳释放出去。在大气中，二氧化碳浓度约为0.04％。然而，在航天器的密闭舱内，如航天飞机或空间站内部，如果不加控制，二氧化碳浓度可能会不断升高。由于二氧化碳是有毒的，所以浓度过高就会造成问题。随着周围空气中的二氧化碳浓度增加，人们将会发生如下症状：

在地球上，植物可以通过光合作用来清除二氧化碳。植物吸收二氧化碳，释放氧气。然而在航天飞机中，必须通过化学过程将二氧化碳从机舱的空气中去除。大多数航天飞机仅仅依靠含有粉末状氢氧化锂的过滤器来清除二氧化碳：当含有二氧化碳（CO2）的空气通过过滤器时，二氧化碳就会与氢氧化锂（LiOH）结合，生成碳酸锂（Li2CO3）和水（H2O）：

CO2(g) + 2LiOH (s) Li2CO3(s) + 3 H2O (l)

一旦所有的氢氧化锂用完，就必须将过滤器丢弃并更换成新过滤器。

氢氧化锂过滤器并不是太空中解决二氧化碳问题的唯一办法。国际空间站仍在使用氢氧化锂过滤器，但是空间站上还有一项新技术——利用分子筛来吸收二氧化碳。消防员和矿工使用的SCUBA呼吸器和个人氧气装置也必须要清除二氧化碳，其中一些呼吸器使用了氢氧化锂过滤器，但是其他呼吸器利用的是涉及超氧化钾（KO2）的化学反应。当超氧化钾跟来自人类呼吸的水蒸气（H2O）和二氧化碳（CO2）结合时，就会吸收二氧化碳并产生氧气和碳酸氢钾（KHCO3）：

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

反应会产生热量，因此人们知道超氧化钾什么时候用完，用完后温度就不再上升。该系统还有额外的优势：既能供应氧气，又能清除二氧化碳。

在国际空间站上，美国命运实验室和3号节点舱包含着二氧化碳清除组件（CDRA），CDRA系统是利用分子筛技术来清除二氧化碳的。这里利用的分子筛是沸石——二氧化硅和二氧化铝的晶体，这种晶体的排列呈细微的网孔状，网孔的开口大小一致，允许某些分子进入其中，被分子筛捕获。CDRA系统有四层，由两种不同的沸石构成的，13x沸石吸收水，5A沸石吸收二氧化碳。当空气通过13x沸石层时，水分被截留下来，水分就从空气中被清除出去；干燥的空气进入5A沸石层时，二氧化碳被捕获并被清除出去。然后，冒出来的空气就是干燥、不含二氧化碳的气体了。

跟用完后就被废弃的氢氧化锂过滤器不同，CDRA系统中的沸石可以重复利用。沸石层内的电子加热元件可以使沸石升温，将捕获的水蒸气和二氧化碳释放掉。二氧化碳被排放到外太空，而水蒸气经过凝结之后被回收使用。CDRA系统设有独立的控制装置，系统的一半主动地从空气中清除二氧化碳和水分，同时另一半进行回收利用，两部分交替发挥用。CDRA系统是国际空间站从舱内空气中清除二氧化碳的主要方法，而氢氧化锂过滤器是当作备用系统的。

航天员在空间站安装萨巴蒂尔系统

2010年10月，国际空间站上安装了一个被称为“萨巴蒂尔（Sabatier）”的新系统，这个系统吸收CDRA系统清除的二氧化碳（CO2），将其跟氢气（H2）结合，生成液态水（H2O）和甲烷气体（CH4），然后甲烷可以排放到外太空。该系统所利用的氢气是由俄罗斯电解氧发生器（Elektron）和美国环控生保系统（ECLSS）的水电解系统产生的。

面向未来更长期的太空驻留任务，科学家们寄希望于新一代环控生保系统—受控生态生保系统，其能够通过种植作物而自然地产生氧气和清除二氧化碳，这些植物不仅能够提供可用于呼吸的空气，而且还能够为航天员们提供食物。然而，由于空间站上的生活空间是有限的二氧化碳报警器，科学家们必须解决一个问题：该如何在狭小的空间内种植大量的作物。

编译/胡德良

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