如何清除航天飛機(jī)上的二氧化碳？

克雷格·弗魯?shù)抢锲?（Craig Freudenrich）

當(dāng)我們的細(xì)胞分解食物時，我們身體中就會產(chǎn)生二氧化碳，然后通過呼氣將二氧化碳釋放出去。在大氣中，二氧化碳濃度約為0.04％。然而，在航天器的密閉艙內(nèi)，如航天飛機(jī)或空間站內(nèi)部，二氧化碳濃度可能會高得多。由于二氧化碳是有毒的，所以濃度過高就會造成問題：輕則使人困倦，心率加快，頭暈，意識模糊；重則使人意識喪失、肌肉震顫，甚至置人死地。

在地球上，植物可以通過光合作用來清除二氧化碳。植物吸收二氧化碳，釋放氧氣。然而在航天飛機(jī)中，必須通過化學(xué)過程將二氧化碳從機(jī)艙的空氣中去除。大多數(shù)航天飛機(jī)僅僅依靠含有粉末狀氫氧化鋰的過濾器來清除二氧化碳：當(dāng)含有二氧化碳（CO2）的空氣通過過濾器時，二氧化碳就會與氫氧化鋰（LiOH）結(jié)合，生成碳酸鋰（Li2CO3）和水（H2O）。

一旦所有的氫氧化鋰用完，就必須將過濾器丟棄并更換成新過濾器。也許，在使用氫氧化鋰過濾器方面最著名的案例就是“阿波羅”13號航天任務(wù)中發(fā)生的情況了。

發(fā)生了一次爆炸之后，指令艙無法啟用，航天飛機(jī)返回地球時，航天員們乘坐登月艙生還。登月艙使用的是圓形氫氧化鋰過濾罐，而指令艙使用的是方形過濾箱。登月艙的空間是為兩個人設(shè)計(jì)的，現(xiàn)在有三個人呼吸其中的空氣，登月艙里的過濾粉很快就用完了。但是，由于過濾設(shè)備的形狀不同，航天員們無法輕而易舉地進(jìn)行替換。因此，航天任務(wù)控制中心的工程師們不得不想方設(shè)法，通過改裝使登月艙的氣流經(jīng)過方形的氫氧化鋰過濾罐。航天員們利用膠管、護(hù)套、塑料袋和管道膠帶迅速創(chuàng)建了一個引流系統(tǒng)，使航天員們免于二氧化碳引起的死亡。

氫氧化鋰過濾器并不是太空中解決二氧化碳問題的唯一辦法。國際空間站仍在使用氫氧化鋰過濾器，但是空間站上還有一項(xiàng)新技術(shù)——利用分子篩來吸收二氧化碳。消防員和礦工使用的SCUBA呼吸器和個人氧氣裝置也必須要清除二氧化碳，其中一些呼吸器使用了氫氧化鋰過濾器，但是其他呼吸器利用的是涉及超氧化鉀（KO2）的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)超氧化鉀跟來自人類呼吸的水蒸氣（H2O）和二氧化碳（CO2）結(jié)合時，就會吸收二氧化碳并產(chǎn)生氧氣和碳酸氫鉀（KHCO3）。

反應(yīng)會產(chǎn)生熱量，因此人們知道超氧化鉀什么時候用完，用完后溫度就不再上升。該系統(tǒng)還有額外的優(yōu)勢：既能供應(yīng)氧氣，又能清除二氧化碳。

在國際空間站上，美國命運(yùn)實(shí)驗(yàn)室和3號節(jié)點(diǎn)艙包含著二氧化碳清除組件（CDRA），CDRA系統(tǒng)是利用分子篩技術(shù)來清除二氧化碳的。這里利用的分子篩是沸石——二氧化硅和二氧化鋁的晶體，這種晶體的排列呈細(xì)微的網(wǎng)孔狀，網(wǎng)孔的開口大小一致，允許某些分子進(jìn)入其中，被分子篩捕獲。CDRA系統(tǒng)有四層，由兩種不同的沸石構(gòu)成的，13x沸石吸收水，5A沸石吸收二氧化碳。當(dāng)空氣通過13x沸石層時，水分被截留下來，水分就從空氣中被清除出去；干燥的空氣進(jìn)入5A沸石層時，二氧化碳被捕獲并被清除出去。然后，冒出來的空氣就是干燥、不含二氧化碳的氣體了。

跟用完后就被廢棄的氫氧化鋰過濾器不同，CDRA系統(tǒng)中的沸石可以重復(fù)利用。沸石層內(nèi)的電子加熱元件可以使沸石升溫，將捕獲的水蒸氣和二氧化碳釋放掉。二氧化碳被排放到外太空，而水蒸氣經(jīng)過凝結(jié)之后被回收使用。CDRA系統(tǒng)設(shè)有獨(dú)立的控制裝置，系統(tǒng)的一半主動地從空氣中清除二氧化碳和水分，同時另一半進(jìn)行回收利用，兩部分交替發(fā)揮作用。CDRA系統(tǒng)是國際空間站從機(jī)艙空氣中清除二氧化碳的主要方法，而氫氧化鋰過濾器是當(dāng)作備用系統(tǒng)的。

2010年10月，國際空間站上安裝了一個被稱為“薩巴蒂爾（Sabatier）”的新系統(tǒng)，這個系統(tǒng)吸收CDRA系統(tǒng)清除的二氧化碳（CO2），將其跟氫氣（H2）結(jié)合，生成液態(tài)水（H2O）和甲烷氣體（CH4），然后甲烷可以排放到外太空。該系統(tǒng)所利用的氫氣是由俄羅斯電解氧發(fā)生器（Elektron）和美國環(huán)控生保系統(tǒng)（ECLSS）的水電解系統(tǒng)產(chǎn)生的。

在未來，NASA的科學(xué)家們希望，在航天飛機(jī)上和太空殖民地上能夠通過種植作物而自然地產(chǎn)生氧氣和清除二氧化碳，這些作物不僅能夠提供可用于呼吸的空氣，而且還能夠?yàn)楹教靻T們提供食物。

（胡德良譯自science.howstuffworks.com網(wǎng)站）