宇航員在太空執行任務，為何可以在空間站待很久？氧氣從何而來？2021年4月初，筆者參加了一個考察隊，前去確認一個台站選址，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。那曲位於西藏北部，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。
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。考察隊有多人需要吸氧，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”。
Part.1
什麼是“高原反應”？
高原反應，也叫高原病、高山病，嚴格說，它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，食慾減退，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。對於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。通常輕症者經過3-5天的時間，進行一定程度的吸氧，癥狀可以逐漸消失並且緩解；但是如果是高原反應重症者，會出現明顯的高原性肺水腫和腦水腫，是非常危險的。
（圖片來源：https：//inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/11853206941/641）
Part.2
為什麼越往地球高處，氧氣就越少？
咱們周圍的空氣雖然看不見摸不着，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，那麼離地越近，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，氣體也沒有那麼密集，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米處空氣密度也小於平原。
因此，越往高處，空氣壓力和密度越低，直到“真空”。空氣密度低了，空氣中的氧氣的量也少了。而且由於氧元素較重，其實較高高度氧的下降會更快，後來空氣里只剩下氫，甚至低到什麼空氣都沒有。然而我們人類賴以生存的，正是空氣中的氧氣。
Part.3
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，那麼到了“太空”，不就沒有空氣了？2021年10月，神舟十三號載人飛船搭載着“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。這麼長的時間，他們呼吸的氧氣從何而來？
宇宙空間可不止4800米這麼低，地球周圍的宇宙空間，最低高度大約是10萬米，這裡幾乎就沒有空氣了，氣壓甚至是地面的百萬分之一。
宇航員想在這裡呼吸，就不是“補充氧氣”這麼簡單了。
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。
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。固體原料利於存儲，可以用較小的體積儲備較多的氧氣。例如，裝着粉末狀氯酸鈉和鐵粉混合物的金屬罐子，在點燃時，鐵燃燒併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中的水蒸氣，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。
Part.4
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。空間站是密封的，時間長了，房間里豈不是要堆滿了二氧化碳？二氧化碳要往哪裡去？
這就需要提到空間站中的空氣系統，它不止製備、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。空氣中還有其他一些氣體，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，而不止是製備氧氣。
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！
出品：科普中國
製作：王錚
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
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