• 航天員在太空呼吸的氧氣從哪來?
    發布時間:2022-02-06
    出品:科普中國
    制作:王錚(中國科學院國家空間科學中心)
    監制:中國科學院計算機網絡信息中心

      20214月初,筆者參加了一個考察隊,前去確認一個臺站選址,用來安放探測太空現象的儀器設備,監測太陽活動影響下地球周圍的宇宙空間的狀態和變化。其中一些設備對人類活動影響很敏感,所以往往需要安放在地廣人稀的偏遠地區。

      這不,其中一個備選站點就是西藏的那曲地區。那曲位于西藏北部,地處青藏高原腹地,是長江、怒江、拉薩河、易貢藏布等大江大河的源頭。那曲市東部屬高原山地,海拔在3800-4500米之間,平均海拔約4100米。這次的站點,海拔大約在4800米左右,考察隊下火車不久測了一下,差不多就4400米了。

      

      考察隊在那曲下火車時,海拔已經超過4400米(來源:自制)

      作為一個土生土長的中原人,筆者早早就出現了頭疼等癥狀??疾礻犛卸嗳诵枰?,幸好旅館都有氧氣釋放,藥店也可以買氧氣。一個可供吸40分鐘氧氣的充氣枕賣50塊錢,充氣只需要5塊錢。所以我們開玩笑說貴的不是氧氣,是吸氧氣的資格。

    什么是“高原反應”?

      高原反應,也叫高原病、高山病,嚴格說,是高原病的一種分型。從低海拔地區急速進入海拔3000米以上高原,暴露在低壓低氧環境后,會產生各種不適,這就是高原反應,是高原地區獨有的常見病,

      常見的癥狀有頭痛,失眠,食欲減退,疲倦,呼吸困難等。

      頭痛是最常見的癥狀,常為前額和雙顳部跳痛,夜間或早晨起床時疼痛加重。以筆者這次的經歷為例,晚上睡覺感覺頭一直隱隱的疼,睡不踏實,早上起來顯得特別精神不振。

      高原上的氣壓通常是平原上的1/2,氧氣含量也相對比較稀薄,氧氣的缺失造成了我們常說的高原反應。對于身體較為薄弱的人來說,就會出現基礎疾病加重,甚至出現上述的頭暈、頭疼、呼吸困難、心悸、疲勞、乏力等情況。通常輕癥者經過3-5天的時間,進行一定程度的吸氧,癥狀可以逐漸消失并且緩解;但是如果高原反應重癥者,會出現明顯的高原性肺水腫和腦水腫,是非常危險的。

      

      高原反應“那些事”(圖片來源:https://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/11853206941/641

    為什么越往地球高處,氧氣就越少?

      咱們周圍的空氣雖然看不見摸不著,但其實也被地球重力吸引、也有重量。只不過是因為我們習慣了地球表面的氣壓,人體能夠達到內外壓力平衡,才不會覺得自己被“壓扁了”。

      既然空氣是由地球引力集中在地球周圍的,那么離地越近,引力越強,聚集的氣體也就越多,氣體的壓強也越大。而離地遠的時候,引力較弱,氣體也沒有那么密集,壓強較小。

      換一個說法,氣壓是從我們所站的位置,向上延伸到大氣上界的垂直空氣柱所受到的重力。假如筆者爬到4800米的那曲站點,頭頂的空氣柱是從4800米開始往上直到上千公里的,缺少了最下方那4800米,空氣柱對底面的壓力遠遠比不上在平原處受到的完整空氣柱的壓力;相應的,壓力較小的地方壓縮的空氣密度也較小,4800米處空氣密度也小于平原。

      因此,越往高處,空氣壓力和密度越低,直到“真空”??諝饷芏鹊土?,空氣中的氧氣的量也少了。而且由于氧元素較重,其實較高高度氧的下降會更快,后來空氣里只剩下氫,甚至低到什么空氣都沒有。然而我們人類賴以生存的,正是空氣中的氧氣。

      

      高處的氣壓低、含氧量也低(圖片來源:https://www.meipian.cn/2cbosflq

    在太空呼吸的氧氣有哪幾種獲取方法?

      越往高處空氣越稀薄,那么到了“太空”,不就沒有空氣了?202110月,神舟十三號載人飛船搭載著“太空出差三人組”順利進入太空。根據任務,三位航天員將在太空中駐留6個月,他們將在太空中過春節。這么長的時間,他們呼吸的氧氣從何而來?

      宇宙空間可不4800米這么低,地球周圍的宇宙空間,最低高度大約是10萬米,這里幾乎就沒有空氣了,氣壓甚至是地面的百萬分之一。

      宇航員想在這里呼吸,就不是“補充氧氣”這么簡單了。

      第一種方法當然就是從地面直接帶氧氣罐。一如我們考察隊在西藏購買氧氣袋、氧氣瓶一樣。這種方法最為直接,不過效率也很低。

      

      登山時常見的便攜式氧氣瓶(圖片來源:Rehabmart.com

      第二種方法是固體燃料氧氣發生器。這種方法主要是化學反應產生氧氣,在西藏也可以購置相似的裝備。固體原料利于存儲,可以用較小的體積儲備較多的氧氣。例如,裝著粉末狀氯酸鈉和鐵粉混合物的金屬罐子,在點燃時,鐵燃燒并產生化學反應所需的熱能,相應的化學反應產生氯化鈉和氧氣。商用飛機在艙內氣壓下降時也用相似的辦法制氧。

      第三種方法是電解水。這種方式在地面很少用,但卻是空間站中提供氧氣非常重要的手段。

      在地面上,電解水消耗能源較多,產生的氫氣又有危險,但是,空間站上的供電不是問題,巨大的太陽能電池板可以供應免費的電力,而伴隨產生的氫氣也可排放到太空中。作為原料的水,可以從地球上通過補給船運送到空間站,還可以通過冷凝器回收機艙空氣的水蒸氣,甚至使用宇航員的尿液過濾和回收。據報道,國際空間站的氧氣發生器就是電解水的制氧設備。

      

      國際空間站內部的樣子(圖片來百度圖庫

    在太空呼吸,“只進不出”是不行的

      人類呼吸,消耗的是氧氣,呼出的是二氧化碳??臻g站是密封的,時間長了,房間里豈不是要堆滿了二氧化碳?二氧化碳要往哪里去?

      這就需要提到空間站中的空氣系統,它不止制備、提供氧氣,還需要處理宇航員呼出的二氧化碳。

      宇航員所呼吸的空氣中,產生的二氧化碳已經經過空氣系統處理,比如用沸石分子篩可以去除空氣中的二氧化碳。也就是說,空氣系統不僅要能出氧氣,也要能除去二氧化碳??諝庵羞€有其他一些氣體,比如甲烷、丙酮、甲醇和一氧化碳等,這些氣體都可以在空間站上的活性炭過濾器的幫助下移除。因此,宇航員所用的呼吸系統,實際上應該叫空氣循環與過濾系統,而不止是制備氧氣。

      正是在這些空氣系統的幫助下,宇航員們才能在太空中安然過年,順利完成任務。讓我們期待他們的凱旋歸來吧!

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