把二氧化碳变成水——中国空间站环控生保系统_风闻

      航天员在空间站长期驻留，需要空间站的环境控制与生命保障（环控生保）系统提供生存条件，氧气和水就是其中两种关键物质。

      4月14日，央视新闻报道，“中国空间站环控生保六大再生系统稳定运行，空间站氧气资源100%再生，水资源闭合度提升到95%以上，每年减少上行补给6吨，主要技术指标达到世界领先水平。” 

      这是如何做到的呢？

      氧气的供应相对容易解决，通过电解水制取：

2H2O → O2 + 2H2

      所以，实现空间站物质循环的难点在于水。

     通过收集航天员尿液、汗液和呼出的水气，深度净化，再生为饮用水，中国空间站达到了85%的水资源利用率。

      损失的水去哪儿了呢？一方面，回收尿液时会有一部分难以利用的残液；另一方面，电解水制氧副产的氢气被排放掉，航天员呼出的二氧化碳也被从舱内空气中去除，造成氢和氧的损耗，这不就是水的损失么。

      为了进一步提高空间站的水循环率，在二氧化碳分离的基础上，利用电解水副产的氢气在催化剂作用下把二氧化碳还原为甲烷和水：

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O

      这是Sabatier反应（由法国化学家Paul Sabatier提出），远期可以实现由二氧化碳制取燃料，但目前其途是回收氢气和二氧化碳中的氧，再生出水，是美俄空间站二氧化碳再利用的主要途径。

      2022年，我国的二氧化碳还原系统在中国空间站投入使用，每天可多回收一公斤水，从而把水资源利用率提高到95%以上。

（2022年7月19日，神舟十四号乘组刘洋、陈冬、蔡旭哲三位航天员在操作二氧化碳还原子系统的水箱）  

      甲烷是富氢的物质，排放会造成氢的损失，相应地就会有一部分二氧化碳因为氢气不足而得不到还原，造成氧的损失。进一步发展的技术是用等离子体裂解把甲烷分解为乙炔和氢气，再回收一部分氢：

2CH4 → C2H2 + 3H2

      这些反应的原理很简单，但要在空间站里实现，就是把一座微缩的化工厂搬上天。

      作为我国唯一从事载人航天器环控生保系统研制的科研单位，55年来，中国航天员科研训练中心环控生保团队研发载人航天器三代环控生保系统，实现从“补给式”向“再生式”的转变。航天发射费用高昂，每运送一克物资，成本就相当于一克黄金，再生式环控生保系统的价值可想而知。

中国航天员中心有一座与空间站如双胞胎一般的地面伴飞舱，用于模拟演练，为航天员提供实时支持。尤其是在空间站将要迎来6人“会师”前，要预先在伴飞舱对环控生保系统进行最大工况的预演，以确保6名航天员的生存。

      放眼未来，为了向月球和火星进军，利用植物光合作用实现太空基地的二氧化碳消除、氧气再生和食物自给是航天强国的研究重点。2016年，航天员中心实现“太空180”4人180天受控生态生保系统集成试验；2018年，北京航空航天大学的“月宫一号”创造了370天的世界新纪录。

      星辰大海的征途上，我们的“种菜天赋”将提供最坚实、也最可口的物质保障。

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参考资料：

中央电视台. 《新闻1+1》20220722环控生保系统，航天员的生命“保护伞”！

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

中央电视台. 《面对面》20221211卞强：打造太空家园.

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

熊凯,尹永利,曹勇, 杨才华. 未来太空基地内氢气和二氧化碳消除技术研究进展. 载人航天,2022,28(3):412-418.