[科普中国]-航天员在太空呼吸的氧气从哪来？

2021年4月初，笔者参加了一个考察队，前去确认一个台站选址，用来安放探测太空现象的仪器设备，监测太阳活动影响下地球周围的宇宙空间的状态和变化。其中一些设备对人类活动影响很敏感，所以往往需要安放在地广人稀的偏远地区。

这不，其中一个备选站点就是西藏的那曲地区。那曲位于西藏北部，地处青藏高原腹地，是长江、怒江、拉萨河、易贡藏布等大江大河的源头。那曲市东部属高原山地，海拔在3800-4500米之间，平均海拔约4100米。这次的站点，海拔大约在4800米左右，考察队下火车不久测了一下，差不多就4400米了。

考察队在那曲下火车时，海拔已经超过4400米（来源：自制）

作为一个土生土长的中原人，笔者早早就出现了头疼等症状。考察队有多人需要吸氧，幸好旅馆都有氧气释放，药店也可以买氧气。一个可供吸40分钟氧气的充气枕卖50块钱，充气只需要5块钱。所以我们开玩笑说贵的不是氧气，是吸氧气的“资格”。

什么是“高原反应”？

高原反应，也叫高原病、高山病，严格说，它是高原病的一种分型。从低海拔地区急速进入海拔3000米以上高原，暴露在低压低氧环境后，会产生各种不适，这就是高原反应，是高原地区独有的常见病，

常见的症状有头痛，失眠，食欲减退，疲倦，呼吸困难等。

头痛是最常见的症状，常为前额和双颞部跳痛，夜间或早晨起床时疼痛加重。以笔者这次的经历为例，晚上睡觉感觉头一直隐隐的疼，睡不踏实，早上起来显得特别精神不振。

高原上的气压通常是平原上的1/2，氧气含量也相对比较稀薄，氧气的缺失造成了我们常说的高原反应。对于身体较为薄弱的人来说，就会出现基础疾病加重，甚至出现上述的头晕、头疼、呼吸困难、心悸、疲劳、乏力等情况。通常轻症者经过3-5天的时间，进行一定程度的吸氧，症状可以逐渐消失并且缓解；但是如果是高原反应重症者，会出现明显的高原性肺水肿和脑水肿，是非常危险的。

高原反应“那些事”（图片来源：https://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/11853206941/641）

为什么越往地球高处，氧气就越少？

咱们周围的空气虽然看不见摸不着，但其实也被地球重力吸引、也有重量。只不过是因为我们习惯了地球表面的气压，人体能够达到内外压力平衡，才不会觉得自己被“压扁了”。

既然空气是由地球引力集中在地球周围的，那么离地越近，引力越强，聚集的气体也就越多，气体的压强也越大。而离地远的时候，引力较弱，气体也没有那么密集，压强较小。

换一个说法，**气压是从我们所站的位置，向上延伸到大气上界的垂直空气柱所受到的重力。**假如笔者爬到4800米的那曲站点，头顶的空气柱是从4800米开始往上直到上千公里的，缺少了最下方那4800米，空气柱对底面的压力远远比不上在平原处受到的完整空气柱的压力；相应的，压力较小的地方压缩的空气密度也较小，4800米处空气密度也小于平原。

因此，越往高处，空气压力和密度越低，直到“真空”。空气密度低了，空气中的氧气的量也少了。而且由于氧元素较重，其实较高高度氧的下降会更快，后来空气里只剩下氢，甚至低到什么空气都没有。然而我们人类赖以生存的，正是空气中的氧气。

高处的气压低、含氧量也低（图片来源：https://www.meipian.cn/2cbosflq）

在太空呼吸的氧气有哪几种获取方法？

越往高处空气越稀薄，那么到了“太空”，不就没有空气了？2021年10月，神舟十三号载人飞船搭载着“太空出差三人组”顺利进入太空。根据任务，三位航天员将在太空中驻留6个月，他们将在太空中过春节。这么长的时间，他们呼吸的氧气从何而来？

宇宙空间可不止4800米这么低，地球周围的宇宙空间，最低高度大约是10万米，这里几乎就没有空气了，气压甚至是地面的百万分之一。

宇航员想在这里呼吸，就不是“补充氧气”这么简单了。

**第一种方法当然就是从地面直接带氧气罐。**一如我们考察队在西藏购买氧气袋、氧气瓶一样。这种方法最为直接，不过效率也很低。

登山时常见的便携式氧气瓶（图片来源：Rehabmart.com）

**第二种方法是固体燃料氧气发生器。**这种方法主要是化学反应产生氧气，在西藏也可以购置相似的装备。固体原料利于存储，可以用较小的体积储备较多的氧气。例如，装着粉末状氯酸钠和铁粉混合物的金属罐子，在点燃时，铁燃烧并产生化学反应所需的热能，相应的化学反应产生氯化钠和氧气。商用飞机在舱内气压下降时也用相似的办法制氧。

**第三种方法是电解水。**这种方式在地面很少用，但却是空间站中提供氧气非常重要的手段。

在地面上，电解水消耗能源较多，产生的氢气又有危险，但是，空间站上的供电不是问题，巨大的太阳能电池板可以供应免费的电力，而伴随产生的氢气也可排放到太空中。作为原料的水，可以从地球上通过补给船运送到空间站，还可以通过冷凝器回收机舱空气中的水蒸气，甚至使用宇航员的尿液过滤和回收。据报道，国际空间站的氧气发生器就是电解水的制氧设备。

国际空间站内部的样子（图片来源：百度图库）

在太空呼吸，“只进不出”是不行的

人类呼吸，消耗的是氧气，呼出的是二氧化碳。空间站是密封的，时间长了，房间里岂不是要堆满了二氧化碳？二氧化碳要往哪里去？

这就需要提到空间站中的空气系统，它不止制备、提供氧气，还需要处理宇航员呼出的二氧化碳。

宇航员所呼吸的空气中，产生的二氧化碳已经经过空气系统处理，比如用沸石分子筛可以去除空气中的二氧化碳。也就是说，空气系统不仅要能出氧气，也要能除去二氧化碳。空气中还有其他一些气体，比如甲烷、丙酮、甲醇和一氧化碳等，这些气体都可以在空间站上的活性炭过滤器的帮助下移除。因此，宇航员所用的呼吸系统，实际上应该叫空气循环与过滤系统，而不止是制备氧气。

正是在这些空气系统的帮助下，宇航员们才能在太空中安然过年，顺利完成任务。让我们期待他们的凯旋归来吧！