生活在太空
生活在太空
《大自然探索》2001年8月
喬阿光編譯
自從40年前蘇聯宇航員加加林第一個飛上太空後，人類在太空生活就已不是夢想。最近美國富翁蒂託的太空旅遊，更激起了眾多太空愛好者對太空生活的嚮往。許多人都想步蒂託後塵，登上國際空間站，在艙與艙之間飄浮，俯瞰地球。
然而，在國際空間站生活並非想象的那樣愜意。
自己造氧氣
在空間站首先遇到的是在離地面300多公里的高空中，幾乎沒有空氣的難題。
在地球上，空氣的成分裡有78%的氮，21%的氧，1%的其他氣體。在空間站，宇航員要正常生活和工作，也必須有這樣的空氣。其中的氮氣用太空梭運來，而氧氣則在空間站製造。中學生都知道兩個氫原子加一個氧原子便構成了水，也都做過用試管電解水獲取氧氣的實驗。在用高科技建造的國際空間站上，氧氣的獲取就是依這個最基本的化學方程式進行的，得到的氧儲存在壓力罐裡備用。產生的氫氣目前只能排入太空，將來準備用它和一氧化碳反應生成甲烷，作為維持空問站軌道高度的動力。
在空間站上由俄羅斯建造的“星”服務艙內的電解水機器啟動前，宇航員呼吸的是透過燃燒“高氯酸鹽蠟燭”獲取氧氣。這是一個裝有高氯酸鹽的金屬罐，拉動點火栓，它就燃燒起來，放出氧氣，直到全部燒完。
每一個罐能釋放一個人用一天的氧。這裡使用的化學原理 ，也是中學生做過的加熱高氯酸鉀獲取氧的實驗原理。不過別以為讀完中學就能去造這種“蠟燭”了，這裡面還有更深奧的科學道理哩。比如，1997年2月 23日，俄羅斯“和平號”空間站上的這種“蠟燭”引發了一場大火 ，差點報銷了“和平號”。事後，科學家花了兩年時間，才找出這場大火的罪魁禍首是乳膠手套——在裝罐時混進了裝罐工人戴的乳膠手套的碎片，乳膠和高氯酸鹽發生反應，造成了大火。
除了獲取氧氣外，空間站還要排除有害於人體的氣體 。現在空間站“星”艙內的機器用“沸石”作為分子篩過濾空氣，它排出的二氧化碳目前也只能送入太空，將來要使它得到迴圈使用。
人除了排出二氧化碳外，還要排出少量其他氣體，如甲烷、從尿液的尿素中分解出來的氨，還有丙酮、甲醇和一氧化碳，它們都是新陳代謝：即排尿和呼吸的副產品。空間站用活性炭過濾篩從空氣中吸附這些氣體化合物。
為保證空間站裡的空氣是安全的，空間站上的管道網從空間站的不同地方採集空氣樣本，把它們送進質譜儀進行氣體成分分析。機組人員當天在空間站某處工作，就告訴計算機多采集那裡的樣本，以保證機組人員的健康。
不浪費一滴水
經過長途跋涉來到空間站，最想幹的事肯定是衝進洗手間洗把臉，甚至鑽進浴室衝個熱水澡。但現實是隻能用溼毛巾擦一把，而且用的水是由同伴撥出的水蒸氣、燃料箱裡的水等處理得來的水。在遠離地球的高空，每滴水都是珍貴的，都要回收利用、節約使用，連尿液也要回收，經處理後再利用。
最初的用水是由美國的太空梭和俄羅斯的“進步號”貨運飛船送來的，一部分用來分解產生氧氣，另一部分就成為空間站水迴圈系統的初始水。俄羅斯研製的軌道水處理器能收集空間站空氣裡的水蒸氣。美國正在建造一個再生迴圈系統幾乎可以使每一滴水都進入再迴圈，該系統從太空梭的燃料箱、尿液、漱口水、洗手水裡回收水，甚至連實驗室裡的動物也逃不出再迴圈系統的收集。否則為保證4人機組的最低用水標準，每年要從地球上運送1。8萬多公斤水到空間站，費用太大。
地球上的水也在迴圈使用，只不過是透過動植物的自然過程。動物撥出的水蒸氣進入空氣，再變成雨水落下來。動物的尿液被微生物分解，供植物吸收，植物成熟後，供人食用。空間站的淨水系統模擬了這一過程，只是不靠微生物、動植物，而完全用機械方法，這樣在技術上比較可靠。首先進行初步過濾以去除碎片和顆粒，再透過多層過濾清除有機物和非有機物雜質，最後用催化氧化反應器去除揮發性的有機物，殺死細菌和病毒。因此，空間站的水比地球上任何一個家庭水龍頭裡流出來的水都乾淨。
在地球上水龍頭一開，水就流出來了。但空間站的水壓只有地球上的一半，因而在空間站只能用噴頭把毛巾打溼，然後用來擦手。因此在空間站洗手，只需在地球上洗手的1／10水。想喝水時，要把盛水的盒子鉤上來放到分配器裡，選擇所要的數量，按下按鈕，就會得到所需要的定量的水，而不能擰開水龍頭讓它自己流出來。儘可能回收之後，空間站上的水還是會有損失，因此必須不斷用太空梭和“進步號”飛船補充。在俄羅斯的“曙光”艙裡安裝了備用的緊急水罐，每一個可裝大約41公斤水。
消滅微生物
在第一個人登上國際空間站之前，就己有某些東西捷足先登了。這是一些雖看不見但有著潛在危險的、具有在最惡劣的環境中生存和再生能力的、能攻擊機組成員和空間站的東西——這就是微生物。
為了消除微生物對宇航員健康的威脅，空間站上用催化氧化反應器對水進行消毒，把水加熱到130，微生物中的有機分子在這一過程中被氧化，幾乎被全部被殺死。消毒後的每100毫升水中只有不到100個微生物。
微生物在空間站裝置表面生長會產生酸，導致表面的腐蝕。為解決這一問題，首先要全部使用耐黴材料，用殺黴化學物質製成的漆塗抹表面；其次要控制空間站的溼度，不給微生物提供適合滋生的環境；三要保持表面清潔，使微生物沒有食物。
和過冷過熱做鬥爭
人類只適合生存在不冷不熱不太亮也不太暗的地方。在地球上，只要遠離南極，不掉進火山口，不陷入沙漠，都是適合人類生存的。但人類要到太空去探險，並且不只是作為訪問者，而是定居者，要創造適合人類的生存環境，對空間站的設計者來說是一大挑戰。
如果空間站上沒有溫度控制，那麼向陽面會達到121，而背面則為-157，因而只有空間站中部的某處適合人類居住。但空間站的設計者考慮到了空間站的熱平衡，裝配了熱控制系統，使軌道上的“宇航員之家”涼爽而舒適。為此，既要解決來自空間站外太空寒冷的影響，也要對付在超絕緣、擁有各種產生熱的儀器的軌道試驗室裡不斷上升的內部溫度影響，因為在一個完全與外界隔絕並關閉了空調的房間裡，所有電線產生的能量最終都會變成熱。在空間站上，來自太陽能電池板的能量進入空間站，使航天電子儀器等所有系統工作，它們全都產生熱，因此必須採取措施，避免超出人所能承受的熱度極限。
解決這個問題，用兩種方法。被動的方法之一是，用絕緣材科或在表面塗抹絕緣塗料來減少各艙壁的熱損失。聚酯薄膜能阻止太陽的熱輻射進來。聚酯薄膜層間用滌綸纖維分離，能阻擋層與層之間的熱傳導，保證輻射成為透過這種“毯子”的主要傳熱方式，既防止太陽的輻射流失，也防止太空的寒流穿透空間站的金屬外殼；二是用電加熱線加熱各處；三是用裝有液體的管道傳遞熱，使之達到均衡。
另一種方法是主動方法。是用冷板——一種金屬板材，直接傳走熱量。高熱發生器附著在冷板上，冷水以每分鐘1700轉的渦輪推動進行迴圈。用熱交換器把熱收集到液態氨裡，再把熱傳遞給水。由於在太空站外部的迴圈水很快會凍住，為使這些液體系統工作，廢熱要第一次交換到另一個含有氨的迴圈中去。氨在正常大氣壓下要到-77才會凍結。加熱的氨透過安裝在空間站外部的巨大輻射器流動，釋放出熱，在流動中冷卻。用類似太陽能電池板的大型阻熱器，把收集到的熱，輻射到太空中去。空間站的這種外輻射器使用蜂窩式鋁板製成，共有14塊，總面積156平方米。
最後，必須使空間站內部的空氣流動達到平衡。在空間站裡零重力的條件下，熱空氣不會上升，冷空氣不會下降。要想法造成合適的空氣流動，防止出現冷點，因為這種冷點會造成冷凝、電火花，嚴重的腐蝕甚至會促使微生物增長。俄羅斯的“和平號”上就出現過腐蝕黴。
太空家政
宇航員需要收拾垃圾或打掃廚房嗎？太空也有家政服務員嗎？
空間狹小的空間站只能容納3-7人，每個人都承擔著繁重的科學技術工作，哪有閒人來專事家務呢。所以空間站的所有食物都是由美國的太空梭或俄羅斯的“進步號”貨運飛船送來的，無須機組人員自制。機組人員可以從一張內容豐富的選單上選擇自己喜愛的食品。大多數食品已經過處理，包裝在小袋子或罐頭盒裡。有些食品還經過脫水處理，只要加進熱水即可食用。放在袋子和罐頭盒裡的食品，只需加熱就可吃，還有少量的生食蔬菜和水果。但這些食品都不用放在冰箱裡，只需在室溫下存放；空間站上有一個小冰箱，但由於動力原因，不能連續使用。
空間站上有爐灶，最初是俄羅斯造的公文包大小的小型食品加熱器或美國造的手提食品加熱器，二者都是熱傳導型爐灶，而不是微波爐。後來有了微波爐，但仍不是最終的太空爐，還要改進。
太空梭到來時，送來水和食品等新的供給，回去時就成了世界上最昂貴的垃圾清運車，把密封的垃圾箱運回地球。而俄羅斯的“進步號”貨運飛船更神奇，到來時帶來新的供給，解除安裝。然後就把垃圾箱裝進“進步號”密封起來，離開空間站後，進入低軌道，受控再入大氣層，在此期間，“進步號”就和垃圾都燒成灰燼落入海洋。
管道系統銷綜複雜
在地球上，開啟衛生間的水龍頭，水就會流出來。沖洗完廁所，水便流走了。但是在太空，衛生裝置是怎樣的呢？例如，在零重力的情況下，水會怎樣流？沖廁所的水是否會自動落下？
在大多數時候，空間站像瓶子裡的船一樣工作，和外界完全隔離。只有在太空梭和“進步號”飛船給空間站運來空氣和水、“聯盟號”飛船來更換機組人員和宇航員走出艙外進行太空行走時，才打開一下對介面或密封室。有效地防止漏氣和保證水的再迴圈對空間站是最重要的。
為此，在空間站的外表面和內壁上佈滿了複雜的管道網。在這些管道里，流動著保證機組人員健康所必需的液體和氣體。由於太空的特殊環境，空間站上的管道必須體積小、重量輕、耐腐蝕、不滲漏、不滋生微生物、十分可靠。為滿足這些要求，空間站上的管道都用鈦、不鏽鋼或在金屬網上纏繞特氟隆（聚四氟乙烯）等昂貴材科製成。
空間站上的管道必須在沒有重力幫助的情況下工作。在沒有重力的情況下，流體只會呆在那裡，除非有壓力推動它們。為使液體流動，空間站的管道系統裡有幾十個泵和風扇，增加需要運送液體和氣體的壓力。可以想象，空間站上的洗手間和地面上明顯不同，廁所沒有重力便完全不能工作，因此空間站用特殊吸管清除人體排洩物。
國際空間站的通訊採用了俄羅斯“和平號”空間站的經驗，鼓勵機組人員給家裡打電話。每個機組人員都有可視電話，每星期都可以給家裡打電話。機組人員也可以每天收發電子郵件，所以沒有人會感到遠離家人。
在太空製氧、迴圈用水、建立溫控系統等等保證人類在太空生命安全的系統就叫“生命保障系統”。科學家早已開始研究高階生命保障系統，即微縮的地球環境。有朝一日，人類終將能在太空吃到自行種植的糧食，呼吸太空植物提供的氧氣，喝到太空植物淨化的水。
