把二氧化碳變成水——中國空間站環控生保系統_風聞

      航天員在空間站長期駐留，需要空間站的環境控制與生命保障（環控生保）系統提供生存條件，氧氣和水就是其中兩種關鍵物質。

      4月14日，央視新聞報道，“中國空間站環控生保六大再生系統穩定運行，空間站氧氣資源100%再生，水資源閉合度提升到95%以上，每年減少上行補給6噸，主要技術指標達到世界領先水平。” 

      這是如何做到的呢？

 

      氧氣的供應相對容易解決，通過電解水製取：

2H2O → O2 + 2H2

      所以，實現空間站物質循環的難點在於水。

     通過收集航天員尿液、汗液和呼出的水氣，深度淨化，再生為飲用水，中國空間站達到了85%的水資源利用率。

      損失的水去哪兒了呢？一方面，回收尿液時會有一部分難以利用的殘液；另一方面，電解水製氧副產的氫氣被排放掉，航天員呼出的二氧化碳也被從艙內空氣中去除，造成氫和氧的損耗，這不就是水的損失麼。

      為了進一步提高空間站的水循環率，在二氧化碳分離的基礎上，利用電解水副產的氫氣在催化劑作用下把二氧化碳還原為甲烷和水：

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O

      這是Sabatier反應（由法國化學家Paul Sabatier提出），遠期可以實現由二氧化碳製取燃料，但目前其途是回收氫氣和二氧化碳中的氧，再生出水，是美俄空間站二氧化碳再利用的主要途徑。

      2022年，我國的二氧化碳還原系統在中國空間站投入使用，每天可多回收一公斤水，從而把水資源利用率提高到95%以上。

（2022年7月19日，神舟十四號乘組劉洋、陳冬、蔡旭哲三位航天員在操作二氧化碳還原子系統的水箱）  

  

      甲烷是富氫的物質，排放會造成氫的損失，相應地就會有一部分二氧化碳因為氫氣不足而得不到還原，造成氧的損失。進一步發展的技術是用等離子體裂解把甲烷分解為乙炔和氫氣，再回收一部分氫：

2CH4 → C2H2 + 3H2

  

      這些反應的原理很簡單，但要在空間站裏實現，就是把一座微縮的化工廠搬上天。

      作為我國唯一從事載人航天器環控生保系統研製的科研單位，55年來，中國航天員科研訓練中心環控生保團隊研發載人航天器三代環控生保系統，實現從“補給式”向“再生式”的轉變。航天發射費用高昂，每運送一克物資，成本就相當於一克黃金，再生式環控生保系統的價值可想而知。

中國航天員中心有一座與空間站如雙胞胎一般的地面伴飛艙，用於模擬演練，為航天員提供實時支持。尤其是在空間站將要迎來6人“會師”前，要預先在伴飛艙對環控生保系統進行最大工況的預演，以確保6名航天員的生存。

   

      放眼未來，為了向月球和火星進軍，利用植物光合作用實現太空基地的二氧化碳消除、氧氣再生和食物自給是航天強國的研究重點。2016年，航天員中心實現“太空180”4人180天受控生態生保系統集成試驗；2018年，北京航空航天大學的“月宮一號”創造了370天的世界新紀錄。

      星辰大海的征途上，我們的“種菜天賦”將提供最堅實、也最可口的物質保障。

  

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參考資料：

中央電視台. 《新聞1+1》20220722環控生保系統，航天員的生命“保護傘”！

https://tv.cctv.com/2022/07/22/VIDE3GZ7pAdvGViWJm9uvtcg220722.shtml

中央電視台. 《面對面》20221211卞強：打造太空家園.

https://tv.cctv.com/2022/12/11/VIDEHKglpGQTPoZzHPE7FmlY221211.shtml

熊凱,尹永利,曹勇, 楊才華. 未來太空基地內氫氣和二氧化碳消除技術研究進展. 載人航天,2022,28(3):412-418.