对于地球上绝大多数的生物来说，氧气是必不可少的气体。当宇航员进入太空后，那便是一个真空的环境，别说氧气了，水蒸气、二氧化碳和氮气都没有。 这样的情况下，宇航员应该怎样为自己供氧？有人会说，就跟潜水员一样，可以将氧气和其他气体混合，然后再压缩，用储存罐的形式带上去。 但别忘了，潜水员一般就下水两个小时，宇航员很有可能会在上面呆上半年，一个宇航员一天就需要550升氧气，半年就是90000升氧气。并且有时候上去的宇航员有三个，光一天就要1650升，180天的量十分巨大，仅靠搬运氧气上去，就会消耗掉太空舱大量的空间和载重。 要知航天器的载重有限，带上去的东西要么是价值连城的检测仪，要么是生活必备的物品，体积还不能超过一定的范围。那么宇航员的氧气都是从哪里来的呢？ 潜水员背着氧气罐 生命气体 氧气是一种单质，由两个氧原子构成，相对分子质量为32，理论上它比空气要重。氧原子是地球自诞生以来就有的，可氧气并不是。 早期的地球大气层羸弱无力，太阳的紫外线放肆地照射原始海洋，水分子被分解为氢气和氧气。早期地球也没有磁场，束缚不了这两个气体，它们最终逃逸出地球，飘向太空。即使地球富含丰富的氧元素，但空气中却没有一丝氧气。 如今的大气成分 大约32亿年前，一群叫蓝细菌 的生命利用水来作为光合作用的原料，从中提取出氢元素。水分子由两个氢原子和一个氧原子组成，蓝细菌不会用氧元素，因此它们每使用一个水分子就会多出来一个氧原子。 很快，当时的地球上出现了游离的氧原子，它们两两结合形成氧气。一开始这完全不是事儿，地球上到处都是还原物，铁是2价的，空气中含量的最多的硫化氢气体可以被氧气氧化。所以那个时候氧气是有的，但很快就被还原成原子。 可是，地球的资源是有限的，铁总有一天会被全部氧化，硫化氢也有被消耗完的一天。蓝细菌就这样日夜不停地生产了10亿年，将地球表面一切能够还原的力量粉碎掉，氧气第一次出现在了大气之中。 可是地球生命们从来没有吸过氧，大家都是厌氧生物，突然一下子来了氧气，它们没有适应，很多生物在蓝细菌产生的氧气中死亡，包括蓝细菌自己也被自己坑了。 显微镜下的厌氧生物 不过生命总能找到出路，一些生命适应了有氧的生活，它们进化出了有氧呼吸 ，利用氧气将有机物分解，得到能量。生命第一次可以不直接借助太阳获得能量，从此一批生命便放弃了光合作用，专门用这种方式生活。 植物的祖先和动物的祖先开始在这个时候分道扬镳。氧气也成为了这群好氧生命的后代们必不可缺的物质，越是高等的生命体，越是需要有氧呼吸。现在的多细胞生物，体内有许多的酶参与有氧呼吸，主要是分解糖类等有机物为身体提供能量。人类已经已经离不开氧气了。 太空制氧 人类作为地球上最高级的生命，自然不能离开氧气，宇航员去往真空的宇宙，氧气是重点考虑的对象。早期的氧气还真的是用压缩氧气罐供应，但是一场悲剧让人们重新考虑在太空中用氧的问题。 美国探月计划的先行者阿波罗1号 发生事故，三名宇航员被活活烧死在了太空舱内。后续经过调查，发现是电路出现了问题，产生了火花。由于飞船带有纯氧罐，一点点火焰就会引发熊熊大火，于是火势蔓延，将整个太空舱都烧了，宇航员在高温和浓烟中死亡。 被烧毁的＂阿波罗1号＂ 事后有工程师提出，在太空中携带纯氧危险系数太高，因为纯氧是良好的助燃剂，本来太空中是真空的，就算着火也不要紧，但是如果火点燃的地方正好是氧气罐，那整个飞船就会变成火海。 而且人类一天需要的氧气数量很多，一次上去的宇航员会有多名，如果采用储存氧气罐，那么整个航天器的负重会很大，制造成本和发射难度也会上升。为了安全和成本，人们利用水能分解出氧气的特点，在太空中制氧，这样不用担心因为带太多氧气而发生意外了。 最快分解水的办法是电解 ，需要消耗电能，航天器都带有太阳能电池板，能够自主生产电，利用生产的电分解水得到氧气和氢气。水电解产生的氧气和氢气的体积比是1:2，氢气是一种易燃气体，还会发生爆炸，是比氧气还要不安分的存在。 那么如何处理得到的氢气？直接排放进太空？当然不是。氢气与人呼出来的二氧化碳反应，生成甲烷和水，水可以再返回制氧系统，实现循环， 而甲烷，就可以不用心疼直接排放到太空里面去。 空间站制氧 甲烷会污染太空吗？答案是不会，太空中本身就存在这种物质，只不过因为温度过低都是以固态的形式储存。人类排放出去的甲烷数量在太空的数量面前九牛一毛。有了这套制氧装备，人类再也不用携带大量的压缩纯氧进入太空，而是直接带水。 一升水可以分解出600多升氧气，宇航员只需要550升便足够，这样算下来，三名宇航员每天只需要分解2升多的水就可以维持生活。 循环利用 航天中，水被打包成一个大包，每个容量20升，够三名航天员22天的生活，执行任务半年，共计180天，需要大约8个水包，这比带纯氧上去占据的空间小多了。 当然，一次携带的水绝对不止这个数量，除了制氧，宇航员在上面的生活饮用、试验、维修等都需要水，所以每次执行任务带的水量都远超过制氧所需。 虽然量很足，但宇航员不能放弃任何一滴水，他们呼出的水蒸气、皮肤蒸发的汗液、以及排泄物里面的水，都会被回收起来再利用。整个太空舱就是一个水循环系统，任何一个水分子都逃不过这套系统，做到了物尽其用。 除了水循环，太空舱还会进行氮气循环。人类呼吸的气体中，氮气占据了绝大部分，而且人类也不能直接吸纯氧。氧气虽然是高等生命体不可或缺的气体，但它同时也是有机生命的敌人，它会氧化细胞的每个结构，而细胞中不怕氧气氧化的只有线粒体。如果氧气浓度过大，超出细胞线粒体能够处理的量，氧气就会去氧化其他的结构，造成细胞的加速衰老。 空间站上的循环系统 吸纯氧不仅解决不了问题，反而会让人窒息身亡，因为空气中的二氧化碳等气体能够刺激人的呼吸中枢，让我们的大脑时刻保持清醒，明白自己处在一个氧气不够的状态，于是控制我们的吸气和呼气。如果是纯氧或者氧气浓度过高，大脑就会判定我们不缺氧，不用呼吸了，结果就是人的呼吸能力减弱，最后窒息。 因此现实生活中，不管是潜水员带的氧气罐，还是医院里病人输氧，都不会直接输入纯氧，而是采取的混合气体，氧气的浓度也更加接近空气中的浓度，其余气体为氮气和少量二氧化碳。 同理在太空中，宇航员生活的环境也要模拟生活中的氧气浓度，用氮气等其他气体混合，这样才不会因氧气浓度过高造成神经麻痹窒息。氮气几乎不在人体内参与反应，因此可以在太空中回收利用。 其他制备方式 循环系统制氧非常好，但也不是万能的，谁也不能保证航天器百分之百不出故障，尤其是空间站上面的宇航员，一呆就是半年的时间，总会有这样那样的问题出现。循环系统一旦出现问题，维修的时候需要很长时间，这个时间里宇航员的氧气供应无法保障，因此必须有紧急备用制氧装置。 就算是紧急备用，也不能用纯氧，当年阿波罗1号的悲剧被各国航天人员刻进了肺里，坚决不用纯氧罐。备用制氧装置是氯酸钠和铁的固体粉末混合物，使用时需要点燃这个化合物，就能产生氧气。这两种物质是被分开保存的，如果不幸发生了火花，分开会保证没有氧气产生助燃。 太空运输 就算循环系统良好工作，这些水还是会在某一天被更换。宇航员每天必做的任务就是，监测循环水的质量，包括里面的微生物含量、矿物质含量等。一旦发现不符合规定标准，便不能再饮用，需要更换循环里面的水。 比如国际空间站已经服役20多年，里面的宇航员不可能一直靠循环水生活，里面的水总有要换的时候，这个时候就得需要另外的运输飞行器，将＂水包＂运送上去。不过，水不合格可以不饮用，却丝毫不影响其用来电解产生氧气。因此更换的主要是生活水部分，制氧部分不影响。 航天器上的制氧系统和水循环系统价值不菲，每使用一次的成本在上亿元。这套系统的会用目的，除了保证宇航员的基本生活外，还有就是为未来的太空移民做准备。地球的能源已经不间断使用了300多年，他们又是不可再生资源，是古生物形成的，起步时间在几十万年以上，人类不可能复原出来。迟早有一天，人类会离开地球。 人类已经成功在火星制氧 可是太阳系的其他行星上也没有氧气，我们不可能直接生活在上面，因此建造一个基地才是关键。而这个基地就是一个放大版的空间站，人们在里面生活的模式类似于现在的宇航员们，系统也可以在原有基础上进行扩大。 巨大付出 宇航员在太空中的氧气全靠制备，这听起来十分高大上，充满科技感，并且他们使用的是循环水，这是未来人类立足宇宙的核心科技。可这里面是宇航员的辛苦血泪。 是阿波罗1号的宇航员用生命告诉世人，携带纯氧进入太空危险重重，因此才会在后面通过电解水制造氧气。太空中的水资源极其宝贵，因此后来诞生了循环水使用。宇航员每天都要完成繁重的任务，为此他们还要抽出时间去监测循环水的水质，一旦有问题必须马上换下来。 宇宙中充满了未知的危险，各种辐射，变幻莫测的陨石，失重等，可以说宇航员面对的生存环境，比地球上的任意一个人严峻得多。 宇航员的这些付出是人类进步的必要过程，没有他们就没有后来的改进，哪怕会付出巨大的代价。向伟大的航天员致以崇高的敬意。