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，二氧化碳又被植物回收利用——在极其广阔的范围内，这是一种奇妙而稳定的循环。

但在航天飞行器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？　多数情况下，航天飞行器都自带氧气供应，而且还会有一个备用系统。不过，这些航天飞行器的航天任务持续时间不长，大约在几天至两周之间。相比之下，1998年起进入轨道的国际空间站是为长期航天飞行任务而设计的；我国的“天宫二号”空间实验室，也具备了宇航员中期驻留（超过30天）的技术条件。那么，为保证宇航员的中长期太空生活和工作，如何确保氧气供应和二氧化碳清除呢？

国际空间站上氧气产生的三种方式

以国际空间站为例，目前有三种供应氧气的方式：氧气发生器、高压氧气瓶和固体燃料氧气发生器。

氧气发生器 是国际空间站上主要的制氧方式。由俄罗斯制造的电解氧发生器（Elektron）位于“星辰号”服务舱，而美国的环控生保系统（ECLSS）位于“命运号”实验舱，它们通过水的电解来制造氧气。

当电流穿过含有少量盐分的水，从一个带正电的电极（阳极）到另一个带负电的电极（阴极），水就随之被分解为氢气和氧气（见“水电解示意图”）。

反应所需的电能由空间站上的太阳能电池板产生，通过空间站的电网输送到氧气发生器中；水则通过“进步号”货运飞船送到空间站。此外，航天员所呼出的水蒸气，也会通过冷凝器从舱内空气中加以回收。通过ECLSS装置，还可以从航天员的尿液中回收水。

高压氧气瓶 航天器发射时携带高压氧气瓶进入太空。当欧洲自动转移飞行器（ATV）、“进步号”货运飞船或美国的航天器与国际空间站实现对接时，可以为高压气瓶补充氧气。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。

固体燃料氧气发生器 （SFOG）这是一种通过化学反应来制造氧气的备用系统，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和铁粉的混合物。当SFOG被点燃之后，铁粉在约600℃时发生“燃烧”现象，为反应提供所需的热能。氯酸钠则分解成氯化钠　(食盐)　和氧气，其中的一些氧气与铁结合生成氧化亚铁。每千克混合物通过SFOG能够为6.5人提供一小时氧气。

如何清除二氧化碳

地球的大气中，二氧化碳浓度一般为0.04%。然而，在航天器的密闭舱内，如果不加控制，二氧化碳浓度可以不断升高。随着周围空气中的二氧化碳浓度增加，人体会出现相应的症状　(见图表)。

大多数航天飞行器仅仅依靠含有粉末状氢氧化锂的过滤器来清除二氧化碳，一旦所有的氢氧化锂用完、过滤器没有及时更换，就会出现状况。1970年4月“阿波罗13号”在执行航天任务时遇到的情况，就是一个典型的案例——

飞船发射后第二天，服务舱发生了一次爆炸。指令舱关闭，航天员们不得不转移到登月舱驾驶飞船返回地球。

登月舱的空间是为两个人设计的，但那次返回却搭载了三位宇航员，登月舱里的过滤粉很快就用完了。登月舱使用的是圆形氢氧化锂过滤罐，而指令舱利用的是方形过滤箱，所以航天员们无法轻而易举地进行替换。最后，航天员们利用胶管、护套、塑料袋和管道胶带迅速创建了一个引流系统，使自己免于二氧化碳所导致的生命威胁。

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，空间站还可以利用超氧化钾的化学反应。当超氧化钾和人类呼出的水蒸气和二氧化碳结合时，就会吸收二氧化碳并产生氧气和碳酸氢钾。由于反应会产生热量，因此一旦温度不再上升，人们就知道超氧化钾用完了。而且，该系统还有额外的优势：既能供应氧气，又能清除二氧化碳。

空间站上还有一项新技术——利用分子筛来吸收二氧化碳。与氢氧化锂过滤器不同，分子筛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。分子筛系统设有独立的控制装置，在一半系统主动地从空气中清除二氧化碳和水分的同时，另一半进行回收利用，两部分交替发挥作用。这一系统目前已成为国际空间站清除舱内空气中二氧化碳的主要方法。

2010年10月，国际空间站上又安装了一个被称为“萨巴蒂尔”的新系统，这个系统能吸收分子筛系统清除的二氧化碳，再将其跟Elektron和ECLSS的水电解系统所产生的氢气结合，生成液态水和甲烷气体，甲烷可以排放到外太空。

面向未来更长期的太空驻留任务，科学家们寄希望于第三代环控生保系统——受控生态生保系统，它能够通过种植作物而自然地产生氧气和清除二氧化碳，同时还能够为航天员提供食物。

编译：胡德良

编辑：李晨琰

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