人可以兩天不吃飯，可以半天不喝水，但一分鐘不呼吸就受不了。我們每時每刻都需要吸入氧氣以滿足細胞的新陳代謝，同時也會向外呼出二氧化碳，它是我們細胞代謝的副産品。據統計，普通人一天需要吸入約750克氧氣，相對應地，我們大約會呼出1千克的二氧化碳。如果身處在一個狹小密封的環境裡，要不了多久就會被憋死，再也用不着喝水和吃東西了。

在我們的主動脈、頸動脈和腦幹的長延髓部分，分布着一些血氣和PH值傳感器，它通過監測血液中二氧化碳的濃度來判斷我們的身體是否需要更多的氧氣。與此同時，我們的腦幹會通過神經系統指揮相應的肌肉群，以調節呼吸的節奏和頻率。

腦幹的延髓部分負責自主呼吸的控制

當腦幹監測到動脈血液變得太酸，這意味着二氧化碳過量，延髓會将電信号傳遞到呼吸系統各相關肌肉群，我們的呼吸會變得深而且急促，以使肺泡吸入更多的氧氣，同時将氧分子傳遞給毛細血管網中的紅細胞。紅細胞中的4個血紅蛋白基團都可以充當氧氣的搬運工，将其輸送到身體各處。

肺泡的氣體交換

對于肌體而言，呼吸的主要目的就是使肺泡空氣中呼吸氣體的分壓與肺毛細血管血液中的氣體分壓達到平衡。

我們的肺大約有3億個肺泡，這些開放的小氣囊直徑隻有75~300微米，平均壁厚僅2.2微米。但如果将它們完全鋪展開來，可以達到約145平方米，因此肺是一個非常高效的氣體交換器官。

呼吸的氣體分壓

在空氣中，氧氣約占21%，二氧化碳僅占約0.04%，它們在大氣壓強的比例也大緻如此。因此我們稱氧氣的分壓PO₂為21，二氧化碳分壓PCO₂為0.04。而在肺裡，每一次呼吸都會剩餘大約3升的氣體，肺泡中的氧氣分壓為13，二氧化碳分壓達到5.3，這與動脈血氣分壓相等。從上圖我們可以看出，每一次的氣體交換，血液中二氧化碳的濃度隻是稍微發生改變，氧氣的分壓會從6上升到13，紅細胞會從肺泡中攜帶大量氧氣分子開始一輪新的循環。

我不建議你親身體驗因為缺氧或二氧化碳過量而窒息的感覺，如果你堅持要嘗試，請一定選擇一扇可以輕松推開的門。

曾經發生過多名偷渡者因為被困于密閉集裝箱而集體死亡的事件，也常有幼童因被遺忘在轎車中窒息的慘劇見諸媒體，這提醒了大家，當你身處一個不受控制的密閉空間是極其危險的事。

被困于密閉空間易導緻嚴重後果

如果空氣中的二氧化碳過多，肺泡中的二氧化碳分壓随之上升，由于動脈血氣分壓與肺泡是平衡的，這時候動脈血液會因為溶入更多二氧化碳而呈酸性。大腦監測到這個情況，會指令呼吸系統更加急促地呼吸，從而導緻更多二氧化碳進入血液，這就是危險的高碳酸血症。研究表明，在正常氣壓下，人隻需要在二氧化碳濃度為3.5%的環境裡呆上15分鐘就可以出現意識喪失，随着時間的推移和二氧化碳濃度的上升，人會因二氧化碳中毒而死亡。

二氧化碳中毒

美國為阿波羅計劃所打造的指令艙，其容積為6.2立方米（加壓容積10.4m³），設計為3名宇航員生存14天；阿波羅登月艙可容納體積為4.5立方米，設計為2名宇航員生存最多75小時；俄羅斯聯盟号MS飛船的軌道艙和返回艙的内部空間為10.5立方米，設計為3人生存10天；神舟飛船返回艙的内容積大約為6立方米。由此可見，各國打造的載人航天飛船其内部空間都是極其狹小的。

即便是為宇航員長期逗留、保障其長時間生活的空間站，它内部的空間也非常有限。前蘇聯和平号空間站曾創下一人駐留437天的紀錄，但它的内部加壓容積也僅有350立方米；而目前在軌運行的最大航天器國際空間站，其可居住容積為388立方米、加壓容積916立方米，用以保證6名宇航員長期駐留。

國際空間站内部并不寬敞

在如此狹小的空間裡長期生活并不是一件惬意的事，由于設備故障，國際空間站的二氧化碳濃度一度達到1%。機組人員在8個小時内經曆了頭痛、嗜睡、精神遲鈍、情緒波動和睡眠中斷。宇航員們不可能打開窗戶出去透透氣，因此在太空飛行中，我們不僅要考慮充足的氧氣供應，還需要從空氣中濾除二氧化碳。

如果飛船僅僅計劃作短時間的太空飛行，它隻需要攜帶壓縮氧氣罐就能滿足需要。而對于空間站這樣的長時間飛行器，則大多采用制氧機（OGS）電解水的辦法來生産氧氣。在将宇航員的生活廢水以及從空氣中過濾的水氣進行處理後，可以利用太陽能電池所産生的電能來分解水，産生的氫氣排出飛船，氧氣用于呼吸。

水的電解

除了利用電解水來滿足大多數氧氣需求外，空間站還利用液态氧推進劑和固體高氯酸锂罐作為備份。高氯酸锂燃燒可以生成氣态氧氣，每一個罐可以為一名乘員提供一天的應急氧氣需求。

安裝在國際空間站的俄羅斯制氧機Elektron

氧氣的制備可以通過電解水加以解決，相比之下，二氧化碳的過濾則要麻煩得多。對于人類來說，我們呼出的二氧化碳氣體、水氣，以及通過腸道和皮膚排放到空氣中的氨氣、丙酮、甲醇、微生物等都是有害的，需要從空氣中過濾并清除。

在阿波羅飛船以及其它大多數載人飛船裡，會利用氫氧化锂或過氧化锂來過濾空氣中的二氧化碳氣體，其化學反應過程如下：

2LiOH CO₂→Li₂CO₃ H₂O

2Li₂O₂ 2CO₂ →2Li₂CO₃ O₂

阿波羅13号上的二氧化碳過濾裝置

相比于段時間飛行的宇宙飛船而言，國際空間站上用于過濾二氧化碳和有害氣體的裝置則要複雜得多，這套被稱為CDRA的二氧化碳清除組件采用了熱胺洗滌的原理，它非常高效，也更加昂貴和費電。

CDRA利用将包括單乙醇胺在内的各種胺制成分子篩，冷卻的胺會在二氧化碳分子通過時與其發生化學反應，吸收二氧化碳，這個過程被稱為“胺洗滌”；而在加熱時，反應是可逆的：

CO₂ 2HOCH₂CH₂NH₂ ↔HOCH₂CH₂NH₃ ⁺ HOCH₂CH₂NHCO₂ ⁻

安裝在ISS節點3甯靜艙裡的CDRA單元

盡管胺洗滌法清除二氧化碳所采用的設備極其昂貴，但由于它的反應過程可逆，這意味着胺在相當長時間内可以重複使用，不需要補充原料。這節省了運輸成本，也使維護變得容易，還提高了安全性。

國際空間站的CDRA裝置安裝在歐洲航天局制造的甯靜艙裡，它位于國際空間站的節點3位置，可以說這裡不僅是宇航員的廁所、運動場所、觀察地球的窗口，還是整個國際空間站空氣循環和生命保障系統的核心部分。

甯靜艙位于節點3位置

為了生存，人類每時每刻都需要呼吸，一刻都不能離開氧氣，而我們呼出的二氧化碳如果在空氣中累積會有害健康，甚至是緻命的。

與在地面不同，在茫茫太空探索宇宙的過程中，宇航員需要依賴科學的方法才能輕松地呼吸空氣。科學家通過電解水的辦法為宇航員提供氧氣，同時通過各種化學反應過濾和消除二氧化碳和其它有害氣體。

未來的某一天，我們終将跳出地球的搖籃，飛往遙遠深空去探索宇宙，這個過程将極其艱難。無論遇到多少困難，科學始終在頑強前行。精心計劃、精心設計以及精心打造的硬件設備會将宇宙航行的風險降到最低，從而使宇航員能夠輕松地呼吸。

國際空間站ISS，黃色箭頭所指為甯靜艙

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