人只能三天不喝水,片刻也离不开氧气。水和氧气,在空间站极为珍贵,如果从地面运送上去,每克价值跟黄金差不多。
我国研发的环控生保系统,能在空间站里实现100%的氧气再生,水资源闭合度95%,高于国际空间站,全球领先。
这是什么样的技术,如何凭空就能造出氧气和水呢?
氧气从哪来
在地球上,氧气的含量是十分充足的,满足了80亿人类,乃至数以万计生灵的呼吸,数亿年来,好像从没消耗殆尽过。
实际上,地球上的氧并不是取之不尽,而是一直有植物在默默生产,它们通过光合作用,将吸收的二氧化碳转化成了水和葡萄糖,同时也释放出来氧气。
这个过程就必须要有二氧化碳、植物和阳光,空间站能晒到太阳,宇航员呼出的二氧化碳也不少,可是没有足够的植物。
没有植物产氧的条件,空间站的氧气是怎么来的?
在此之前,主要有三种途径,归根结底,都是从地球上运来的。
第一种就是高压氧气瓶。就是把氧气封存在氧气瓶里,然后利用火箭运送上太空。
由于运送成本十分高昂,这种氧气只留作特殊时候备用,并不供日常使用。
第二种由固体燃料氧气发生器产生,听起来很高级,实际里面主要装铁粉和氯酸钠,铁粉负责燃烧,之后产生的热量会使氯酸钠分解成氯化钠和氧气。
将这些材料运送到太空,也需要花费成本,且燃烧又得需要消耗氧气,在空间站氧气贵如金,因此这种方式也不常用。
如今获取氧气的方式,为电解水。
水由氢原子和氧原子组成,经过电解后,就能生成氢气和氧气,这便有了氧。
虽然这个步骤并不难,但有一点很让人纳闷,在空间站里,水不也是稀缺品吗?电解水制氧,氧气是够了,水不就没得喝?
这就得说说氧气和水的区别,氧气密度为1.429克每升,而水的密度为1000克每升,差距悬殊。
因此,同样质量的水和氧气,水的体积明显比氧气小得多,在向太空运送物资时,自然更倾向于送水。
水经过电解后,一升就能产出620升的氧气,一个成年人一天的氧气消耗量大概是550升,完全能满足需求。
所以,从地面运水上来,在电解出氧气,看似繁琐,实则更经济实惠。
并且,空间站里的水不是用完就彻底没了,上面配备了循环过滤系统,平时用完的废水,甚至是尿液,都能经过处理后重新使用。
也就是说,空间站里的水,其实就是无限循环的,只有一部分转化成了氧气,彻底地消失。
因此,对太空进行资源补给时,送水量不必参考人们日常用水量,只需弥补生产氧气的消耗,和一些日常损耗即可。
此外,我国独有的环控生保系统,能让宇航员呼出的二氧化碳直接变成水,更是节约不少向空间站运水的成本。
环控生保系统
去年的4月13日,第三届全国载人航天环境控制与生命保障技术大会,在哈尔滨顺利召开,会上公布了一项令人振奋的成就:
我国的载人航天环控生保系统,已经从"补给式"转变为"再生式",空间站里的氧气资源再生率达100%,水资源闭合度达95%。
经过这一成功转变,我国每年送上太空的物资,至少要减少6吨。
从地面向太空运物资,是建极其花费资源的事,人们都说"一克重量一克金",从地面发射火箭将物资送上太空,这些物资的成本换算下来,价格跟黄金差不多。
如果能减轻6吨物资的重量,也如同省下了6吨的黄金,按照当前的金价来算,一年大约能节省3434万人民币。
每年能为我国节约如此大的成本,可见环控生保系统含金量有多高,目前全世界只有中国完成这项技术。
这套系统的构造也是极为复杂,进行细细划分,还能分出六个各司其职的子系统,分别是:
电解质氧子系统、二氧化碳去除子系统、微量有害气体去除子系统、尿处理子系统、水处理子系统以及二氧化碳还原子系统。
除了为宇航员提供氧气和水之外,这套系统还需要提供适当的大气压、舒适的温度和湿度,去除微生物、微尘和以及有害气体,保障宇航员生命所需。
这套系统已使用多年,先前只有五个子系统,最新安装的二氧化碳还原系统,是在2022年5月10日,随天舟四号运送的物资一同到达空间站,才正式上岗营业。
这套新系统,主要的作用是将航天员呼出的二氧化碳,经过一系列处理,最后生成中间水。
此时的中间水还不满足饮用标准,需要再放入水处理系统中,经过与其他废水一样的净化处理后,才能变成可饮用的纯净水。
二氧化碳、尿液、汗液、废水,这些在处理之前,都是完全不同的东西,可处理过后,都变成了一样的再生水,不止看着像,连口感也一样。
这些殊途同归的再生水,已经在地面进行了严格检测,水质达到了饮用水的要求。
虽然看着和普通的饮用水没什么区别,但大多数人知道源头,喝上一口难免有些膈应。
航天员当然也是正常人,只是在上空间站之前,就已经喝了很长时间的再生水,从排斥到慢慢接受,最后习以为常。
这也看出航天员的伟大,他们生来也是平凡人,因为担起了责任,所以看起来更像英雄。
对航天员的保障
空间站生活的艰难,不仅是喝的只有再生水,还需要跟失重环境对抗。
人类自古就有凌云志,可这天,并不是一般人想上就上的,习惯了重力束缚,如果突然间消失,普通人很难生存下去。
没有过这样经历的大多数人,都觉得失去重力,是件很有意思的事,人变得轻飘飘,想去哪里随心所欲,不用畏惧高度。
可没了重力,光是上厕所就不是简单事,为了防止自己乱飘,需要先对自己进行多层固定,接着才能打开马桶盖,让屁股与其紧密贴合。
每一步都很关键,最后一步更是重中之重,只有紧紧地密封住马桶,才能防止气味出来。
因为空间站气体流通性比地面上差很多,泄露出来的气味很难消散。
失去了重力,航天员个人清洁也成了问题,洗澡洗头只能干搓,不能用水,更别奢望能用洗发液。
刷牙能用牙膏,只是牙膏沫不能吐出来,得咽下去,吐出来的牙膏沫飘散在空气里,是件很麻烦的事。
其他方面,比如吃饭喝水等,都是一件困难的事,还有长久不散的气味,狭小的活动空间等,都是对航天员的一种挑战。
为了让航天员能适应太空的生活,他们在前往空间站前,必须经过200多项训练,包括理论、体质、心理、航天环境适应等多方面训练。
每一项训练,都异常艰苦,航天员汤洪波曾回忆道,当年他每次结束水下训练后,就连筷子都拿不稳。
航天员聂海胜对此深表赞同,他当初经过水下训练后,体重直接减了4公斤,除了拿不到筷子吃饭,还跟每天必须长时间泡在水里有关。
受训的不止是航天员,还有组织训练的教员们,他们每天跟航天员接受相同强度的训练,为的就是感动身受,能及时做出调整,让训练更科学合理。
感同身受的不仅是教员,还有地面上的模拟空间站。
这个空间站是按照真实的空间站一比一复刻的,里面的环控生态系统,其他各种设备,都跟真实的空间站一模一样。
就连宇航员的状态,也通过代谢模拟系统模拟出来,如果空间站人数出现变动,模拟空间站也需提前一两天,将模拟系统调成响应人数的状态。
在整个模拟过程中,里面的氧气、水等各项指标,都必须做到全天候的监控,这样能更全面地了解空间站的情况,及时对异常情况做出处理。
正是这些工作人员的默默付出,以及航天员的努力,我国航天事业才会硕果累累,赶超发达国家。
有人觉得,送一群人上天,跟老百姓无关,其实,航天事业发展跟我们生活是紧密相关的,比如餐桌上的太空蔬菜、医院里的机械臂、生活在的太空冰箱,太空健身器等。
更重要的是,我国航天事业的发展,打开了人类的眼界,提高中国在国际上的地位。