为登月准备的空调

• 　　CAMRAS是NASA探索生命保障计划（ExplorationLifeSupport）的一部分。它的动机来自于空间探索的不断深入,准备服务于登陆火星。

（由新知客杂志提供内容）

清理一千克废气，需要吸收剂近两千克。太空计划持续半年，光吸收剂就要用一吨。NASA正在测试一套系统，改用固态胺，它清理二氧化碳的能力可以再生。今后无论飞一年还是两年，净化器都只有家用空调那么大。

托马斯等人所处的房间不大，四处张贴的条子和裸露的设备显示这些不过是模拟装置。人就和设备在同一间屋里，墙壁都是金属的，密封得严严实实。确切地说，这不是房子，而是模拟太空舱。外面坐着负责监控的技术人员，一直盯着显示器上面的数据，并观察着实验舱里面的情况。实验是NASA主持的，从2008年4月中旬到5月初，一共进行3周，用来检测一套名为CAMRAS的系统。在准备重返月球的“星座”计划中，这套系统非常重要——对太空舱里的6名宇航员来说，每天呼出的二氧化碳全靠它才能排出去。它能够净化宇航员呼出的空气，同时控制舱内的湿度，以免宇航员散发的汗液和水蒸汽让密闭空间变得越来越潮湿，由此重复利用舱内的空气，甚至改善环境。

参加实验的二十几个人全是志愿者，男性居多。在位于休斯敦的约翰逊空间中心，他们被分成6个一组，由这里的研究员杰夫·斯维特里奇安排，进入到指定的房间里，可以玩电脑、听歌，也可以看书看杂志，总之就是坐着别动。在8个小时里，除了吃饭和偶尔的放松，这些人的任务就是呆着，出汗和呼吸，男女都一样。埃文·托马斯是这次实验的志愿者。与其他很多科研实验的志愿者一样，托马斯本身也是这个项目的技术人员。所以他很清楚CAMRAS是二氧化碳及除湿胺循环装置（Carbon-dioxideandMoistureRemovalAmineSwing-bed）的缩写，更清楚它是如何运作的。不过在今年4月份的实验之前，他并不了解身处其中的感受究竟如何，而这正是此次检测的目的之一。

和另外5个人一组，托马斯在这里呆了几个小时。为了达到模拟的目的，实验舱不会比真正的太空舱更舒适，但也不至于太差。可能是心理作用，托马斯感觉里面的空气和外面总有些不一样。主管这次实验的艾伦·亨廷顿也有类似的体验：“空气闻着和平常不太一样。给人的感觉就好像在一架飞机里，而且还有点挤。不过空气的质量还行，温度也适宜。”其实对于CAMRAS来说，最佳的结果就是让人说不出感觉，这说明它工作出色，完全做到了让空气的循环利用。

改进生命保障计划

CAMRAS是NASA探索生命保障计划（ExplorationLifeSupport）的一部分。它的动机来自于空间探索的不断深入。从最初满足一个人停留几分钟，到保障几个甚至更多的人在太空中生活几个月，以至数年，这中间除了时间上的延长，更需要针对舒适性、可持续性以及成本不断提出新的解决方案。ELS的短期目标着眼于重返月球，并建立前哨战，远景目标则准备服务于登陆火星。

早在人类上一次登陆月球的时候，宇航员及其飞船的生命保障系统就已经非常成熟了。作为太空舱的众多子系统之一，在阿波罗飞船上，CAMRAS的老前辈曾经在效率和可靠性上创造了奇迹。同样使用密封的空气，阿波罗飞船的氧气利用率是我们常见的潜水器具的15倍。也就是说，携带等量的氧气，一名潜水员只能在水下呼吸1个小时，而阿波罗飞船的保障系统能够让这些氧气用15个小时。当时所采用的手段，就是循环利用——宇航员呼出的气体通过净化，被除去其中的二氧化碳，以备再次使用。像一般家庭所用的空调一样，阿波罗飞船的保障系统还可以除湿、除味和控制温度，而其体积甚至也与一台窗式空调差不多。

CAMRAS的研究方向，则是在此基础上，采用新技术进一步利用太空舱内部的资源，通过循环使用座舱中的废物，降低太空舱对地球补给的依赖，并帮助太空舱内的空气质量尽可能保持长时间的良好。

“星座”计划准备在2020年重返月球。它的核心部分是锥形的“猎户座”号太空舱，能够搭载6名宇航员飞往月球并返回。当空气质量变差时，太空舱当然不能像公交车一样，打开窗户换气。因此在猎户座号狭窄的空间里，6个人的活动空间有限，能够呼吸到的新鲜空气将更有限，情境很像这次实验中只有16立方米的密闭小屋。显然，4月份的实验是一次非常接近现实情况的考验。

能反复使用的吸附剂

有评论认为，猎户座完成载人飞行和登陆月球表面的任务只需要不超过20天，使用空气净化和再生水系统有点小题大做。用于净化空气的吸收剂将成为飞行的沉重负担。月球前哨计划为期超过6个月，登录小行星和火星则需要几年时间。相比短期太空任务，将研发CAMRAS的假想目标指向这些更复杂的项目应该更有意义。

这种观点在以前可能是正确的。但在了解过NASA所采用的新材料SA9T后，人们将重新认识这一问题。

吸收剂之所以在运载时会成为火箭的负担，原因在于为了排出污染飞船座舱的主要废气——二氧化碳，目前的短期载人飞行都会采用消耗性的氢氧化硅吸收剂。一个宇航员每天排出约1千克二氧化碳，就要消耗1.84千克氢氧化硅。如果是长达半年的太空任务，需要携带的吸收剂就达1吨！

因此，美国和俄罗斯等航天大国都把目标放在了固态胺上面，把它当作是控制空间站二氧化碳最有前途的技术之一。相关的研究早在20世纪50年代就开始了，而它受到关注最先是因为美国海军想用它解决潜艇内部的空气问题。进入70年代之后，随着太空竞赛结出的众多硕果，固态胺开始进入到航天领域。俄罗斯的和平号空间站还曾经试验性地应用过这一技术。北京的航天医学工程研究所于2003年进行过类似的研究。从3月23日到4月4日，3名参试人员在密闭的座舱里进行了闭舱实验。

实验使用了两个相同的固态胺反应罐，用于交替地进行吸附和解吸。风机将座舱的空气吹入其中一个罐里，空气中的二氧化碳被净化，净化的大气经冷凝热交换器后返回座舱。一定时间后，此罐转入解吸状态，蒸汽发生器产生的蒸汽对此罐进行解吸，另一反应罐转入吸收。解吸的二氧化碳通过还原系统，与氢在催化剂的作用下生成水。实验表明，这套系统的二氧化碳处理能力为一天3千克，差不多相当于3个人的排放量。

可见固态胺的优势在于，它提供了一种可再生的二氧化碳去除途径，整个过程不会像使用氢氧化硅那样消耗大量的吸收剂。

CAMRAS内部同样使用了固态胺。不过NASA在公共媒体上没有透露这种物质的相关细节，并且神秘地将其称为SA9T。虽然不愿意让别人知道的更多，但NASA决不会掩饰它优异的能力：这种物质的吸附能力是可以再生的，当它暴露在真空状态下，会将所吸附的二氧化碳和湿气排出，于是可以利用宇宙中的真空环境抽离太空舱中的废气和湿气，然后重复使用。CAMRAS的固体吸附剂被做成蜂窝状的结构，通过交替发生放热和吸热反应完成吸附和解吸附的过程，而反应所需要的能量则在这两个反应之间循环。

看起来，这应该是一套至少在原理上并不神秘的系统。目前这套系统已经做成了两台样机，其中一台改进了设计，能够在解吸附过程失效的情况下清除废气。而针对CAMRAS的进一步测试已经在计划中。毕竟4月底5月初进行的还是第一次真人实验。根据实验数据，CAMRAS还有很多要改进的地方。如何能继续提高系统的可靠性、二氧化碳的回收率以及在微重力环境下的适应性，都是今后要解决的问题。否则等到2020年，当几名宇航员进入了月球轨道，如果那时再有人觉得座舱里的空气闻着“和平常不太一样”，麻烦就大了。