太空人怎樣呼吸？揭秘宇宙中的生命奧秘與空氣供給系統

「太空人怎樣呼吸？」這個問題，相信許多人都曾好奇過，尤其是在仰望星空，想像著宇航員在浩瀚無垠的宇宙中漂浮的畫面時。這可不是在地球上簡單吸吐空氣那麼簡單喔！在完全沒有空氣、極端溫差和微重力的太空環境中，維持生命，特別是呼吸，是一項極其複雜且嚴謹的工程。簡單來說，太空人並不是直接呼吸太空中的空氣，而是依靠一套精密的生命維持系統，為他們提供可供呼吸的空氣，並將呼出的二氧化碳排出。

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太空中的生命維持：為什麼太空人不能直接呼吸？

我們都知道，地球擁有一個厚實的大氣層，提供了我們賴以生存的氧氣，同時也幫我們抵禦了來自太空的各種有害輻射。但是，一旦離開了地球大氣層，進入太空，情況就截然不同了。太空的環境有多麼嚴酷呢？

真空狀態： 太空幾乎是完全的真空，沒有任何可供呼吸的氣體。如果沒有太空衣或太空船的保護，人體暴露在真空下，體內的液體會迅速沸騰，肺部也會因為壓力驟降而嚴重受損，後果不堪設想。
極端溫差： 在陽光直射的地方，溫度可能高達攝氏120度以上；而在陰影處，溫度則可能驟降到零下180度。這麼大的溫差，人體根本無法自行適應。
有害輻射： 太空充滿了各種高能粒子和宇宙射線，這些輻射對人體健康有著極大的危害，長期暴露會增加罹患癌症的風險。
微重力： 雖然微重力不直接影響呼吸本身，但它會對人體生理系統產生許多長遠的影響，包括骨骼流失、肌肉萎縮等，這也需要額外的健康管理。

所以，太空人絕對不可能像在地球上那樣，打開窗戶，深吸一口氣。他們的一呼一吸，都離不開那套默默工作的「生命維持系統」。

太空人的「氣」從哪裡來？

在太空，太空人的呼吸空氣來源主要有兩個：一個是來自於太空船或太空站內部的「再生式生命維持系統」，另一個則是來自於太空衣的「獨立空氣供給系統」。

太空站內的空氣供給：精密而複雜的再生系統

國際太空站（ISS）這樣的大型太空居所，擁有非常先進的生命維持系統，其核心目標是盡可能地「自給自足」，減少從地球運送補給的負擔。這套系統主要解決兩大問題：提供足夠的氧氣，以及清除有害的二氧化碳。

氧氣的來源

在太空站，氧氣的來源主要有以下幾種方式：

電解水： 這是目前最主要的氧氣生產方式。太空站透過「水電解系統」（Oxygen Generation System, OGS），將水（H₂O）分解成氫氣（H₂）和氧氣（O₂）。這個過程非常類似於我們在地球上看到的電解實驗，但規模和效率都高得多。產生的氧氣會被直接輸送到太空站的空氣循環系統中。
儲存的氧氣瓶： 作為備援和緊急用途，太空站也儲存有高壓氧氣瓶。在特殊情況下，例如OGS發生故障，這些氧氣瓶可以迅速提供所需的氧氣。
攜帶補給： 雖然目標是再生，但每次補給任務，也會從地球攜帶一些壓縮氧氣，以確保萬無一失。

大家可能會好奇，那水是哪裡來的呢？太空站的水來源也相當驚人！除了由補給任務攜帶，它還包括：

太空人的尿液、汗水、甚至是呼吸產生的水蒸氣，都會被收集起來，經過多重過濾和淨化，重新變成可飲用的水。這聽起來有點噁心，但實際上，太空站的水處理系統非常先進，淨化後的水質甚至比地球上某些地方的自來水還要純淨！
從太空站設備中產生的冷凝水。

整個過程就是一個高度循環利用的體系，科學家們真是把「節約」的精神發揮到了極致！

二氧化碳的清除

人體在呼吸過程中會產生二氧化碳（CO₂）。如果二氧化碳在太空站內積聚，達到一定濃度，就會對人體造成危害，甚至導致中毒。因此，清除二氧化碳是生命維持系統的重中之重。

太空站主要採用以下兩種方式清除二氧化碳：

吸附劑： 早期和部分現行的系統使用「氫氧化鋰」（Lithium Hydroxide, LiOH）等化學物質作為吸附劑，將空氣中的二氧化碳「吸附」掉。這些吸附劑通常是固體的，需要定期更換。
再生碳吸附系統（CDRA）： 這是目前國際太空站使用的主力系統。CDRA 系統利用一種稱為「沸石」（Zeolite）的材料，在特定溫度和壓力下，能夠選擇性地吸附空氣中的二氧化碳。當吸附飽和後，系統會加熱沸石，將二氧化碳釋放出來。

被吸附或釋放出來的二氧化碳，並不是直接排到太空。在太空站，這部分二氧化碳會經過處理，部分會被用於生產氧氣（例如透過「薩巴捷反應」Sabatier reaction，與氫氣反應生成水和甲烷），進一步實現資源的循環利用；另一部分則會被送入外部的「排氣系統」，高壓壓縮後，少量地排入太空。

太空衣內的空氣供給：獨立而可靠的保護

當太空人需要執行艙外活動（Extravehicular Activity, EVA），也就是我們常說的「太空行走」時，他們就需要穿上厚重且功能強大的「太空衣」。太空衣本身就是一個獨立的、微型的太空站，提供了完全自主的生命維持系統。

太空衣的構成與功能

一套現代的太空衣，例如美國NASA的EMU（Extravehicular Mobility Unit），就像一個個人化的太空載具，裡面包含了：

加壓系統： 太空衣內部的壓力會維持在一個適當的水平，略低於地球大氣壓，但足以支撐人體，同時防止太空中的真空將太空衣「撐開」。
空氣循環與調節系統： 這是太空人能否順利呼吸的關鍵。太空衣內部的空氣，透過風扇和管道進行循環。
氧氣供應： 主要來自於太空衣背部的「生命維持背包」（PLSS – Primary Life Support System）。這個背包裡儲存著高壓氧氣。
二氧化碳清除： 同樣由生命維持背包中的裝置負責，通常是通過化學吸附劑來吸收太空人呼出的二氧化碳。
溫度控制： 太空衣內有複雜的冷卻系統，利用水循環來帶走人體產生的熱量，以及抵禦來自太陽的輻射熱。
通訊系統： 讓太空人能夠與太空站內的其他成員或地面控制中心保持聯繫。

太空行走時的呼吸流程

當太空人穿上太空衣，準備進行太空行走時，呼吸流程大致如下：

預呼吸（Pre-breathe）： 這是非常重要的一步！由於太空衣內部通常使用純氧，而我們平時呼吸的空氣含有約21%的氧氣和78%的氮氣。為了避免在進入純氧環境時，體內的氮氣因為壓力驟降而形成氣泡，造成類似潛水員的「潛水病」（減壓病），太空人需要提前進行「預呼吸」。他們會在太空站內，逐步降低太空衣內的壓力，同時增加呼吸純氧的比例，讓體內的氮氣慢慢排出。這個過程可能需要幾個小時。
進入太空衣： 預呼吸完成後，太空人會進入太空衣，並與太空站的氣閘艙（Airlock）連接。
減壓： 氣閘艙會進行減壓，最終達到與太空衣相同的壓力水平，然後打開艙門，太空人就可以進入太空。
獨立呼吸： 在艙外活動期間，太空人完全依賴生命維持背包提供的氧氣。呼吸管路將氧氣輸送到頭盔內，同時將含有二氧化碳的廢氣導出，經過背包內的吸收裝置處理。
返回與加壓： 完成任務後，太空人會返回氣閘艙，關閉艙門，然後氣閘艙會重新加壓，直到恢復到太空站內的正常大氣壓力，太空人才可以脫下太空衣。

您可以想像一下，在進行太空行走時，太空人所承受的壓力有多大。他們不僅要應對惡劣的太空環境，還要確保自己身體機能的正常運作，每一口呼吸，都是經過精密計算和嚴格監控的。

太空人「呼吸」的挑戰與創新

儘管現有的生命維持系統已經非常先進，但太空人的「呼吸」問題，仍然充滿了挑戰。每一次的任務，都是對這些系統的極大考驗。

長期太空旅行的新挑戰

隨著人類探索太空的腳步越走越遠，例如未來的火星任務，太空旅行的時間將大大延長。這對生命維持系統提出了更高的要求：

資源再生效率： 在長期的載人任務中，必須實現近乎100%的資源再生，包括水、氧氣，甚至食物。目前的水和氧氣再生系統已經很成熟，但要完全複製地球上的生態循環，還有很長的路要走。
系統可靠性與維護： 太空站的設備，一旦發生故障，維修起來非常困難。因此，系統的穩定性和故障預防至關重要。研究人員一直在開發更耐用、更易於維護的組件。
心理與生理的影響： 長期處於密閉空間，與外界隔絕，加上微重力的影響，對太空人的心理和生理健康都有潛在的影響。雖然這不直接是「呼吸」問題，但卻是維持太空人整體健康不可或缺的一環。

台灣在太空科技領域的努力

也許很多人不知道，台灣在太空科技領域也默默耕耘。雖然我們不像NASA那樣擁有龐大的太空計畫，但許多學術機構和民間企業，在衛星通訊、遙測技術、以及未來可能的太空生命維持系統相關的材料研發等方面，都展現出獨特的潛力。例如，台灣的國家實驗研究院太空中心（TASA）就參與了多項衛星計畫，累積了寶貴的經驗。這些技術的累積，為未來台灣太空產業的發展，奠定了重要的基礎。

關於太空人呼吸的常見問題解答

對於「太空人怎樣呼吸」這個主題，大家可能還有些疑問，這裡我們就來詳細解答一些常見問題。

Q1：太空人呼吸的是什麼氣體？

太空人並不是呼吸太空中的氣體，因為太空是真空的，沒有氣體。他們呼吸的是由生命維持系統提供的、經過淨化和控制的空氣。在太空站內部，空氣的成分與地球大氣類似，主要包含氮氣和氧氣，但比例和壓力可能會有所調整。而在執行艙外活動時，太空人則會呼吸純氧。

Q2：太空人會不會缺氧？

理論上，只要生命維持系統正常運作，太空人不會缺氧。系統會持續監測空氣中的氧氣濃度，並根據需要補充。然而，設備故障或緊急情況確實存在缺氧的風險，這也是為什麼太空站和太空衣都設有多重備援系統，並且太空人也接受了嚴格的應急訓練。

Q3：太空人呼出的二氧化碳會對太空站造成危害嗎？

如果沒有被及時清除，二氧化碳的確會對太空站造成危害。二氧化碳的濃度升高會導致頭痛、噁心、呼吸困難，甚至窒息。因此，二氧化碳的清除是生命維持系統的核心功能之一。太空站的系統會將二氧化碳濃度維持在一個非常低的水平，確保太空人的安全。

Q4：太空人需要像潛水員一樣進行減壓嗎？

是的，在進行艙外活動（太空行走）之前，太空人需要進行「預呼吸」和「減壓」。這是因為太空衣內通常使用純氧，且壓力較低。若不經過這個過程，體內溶解的氮氣會在壓力驟降時形成氣泡，引發減壓病，這對人體是極其危險的。這個過程是為了讓身體排出多餘的氮氣，適應低壓純氧的環境。

Q5：太空中的「味道」是怎麼樣的？

這是一個很有趣的問題！據一些太空人描述，當他們結束太空行走，回到氣閘艙時，太空衣上會帶有一種特殊的「味道」，有人形容它像是「燃燒的金屬」、「燒焦的牛排」或是「焊接的煙霧」，甚至還有點像「硝煙」的味道。科學家們認為，這種味道可能來自於太空中的原子氧，它會與太空衣的材質發生反應，產生一些具有特殊氣味的化合物。當然，這與我們平常呼吸的空氣味道是完全不同的。

總而言之，太空人如何在宇宙中呼吸，是人類科技智慧的結晶。這背後是無數科學家和工程師們的努力，以及對生命無比尊重的體現。每一次的太空任務，都是一場與極端環境的博弈，而這些精密的生命維持系統，就是他們最堅實的後盾，讓他們能夠在遠離家園的宇宙中，繼續探索與前行。