宇宙飛行士が宇宙で呼吸する酸素はどこから来るのでしょうか？

筆者は2021年4月初旬、太陽活動の影響を受けた地球周辺の宇宙の状態や変化を監視し、宇宙現象を検知するための機器や装置を収容するステーションの建設予定地を確認する遠征隊に参加した。これらのデバイスの中には人間の活動に非常に敏感なものもあるため、人口の少ない遠隔地に設置する必要があることがよくあります。

さて、代替地の一つはチベットのナクチュ地域です。ナクチュはチベット北部、青海チベット高原の中心部に位置しています。長江、怒江、ラサ川、ヤゴン・ツァンポ川などの主要な河川の源流です。ナクチュ市の東部は標高3,800～4,500メートル、平均標高約4,100メートルの高原山岳地帯である。この場所の標高は約4,800メートルです。探検隊は列車を降りてすぐに測定し、約4,400メートルであることがわかった。

探検隊がナクチュで列車を降りたとき、標高は4,400メートルを超えていた（出典：自作）

著者は中原地方出身で、早くから頭痛などの症状を経験し始めた。遠征隊の多くの人が酸素を必要としていました。幸いなことに、ホテルには酸素ディスペンサーがあり、薬局でも酸素を購入することができました。 40分間酸素を供給できる空気枕は50元で、膨らませるのにかかる費用はたった5元です。だから私たちは、高価なのは酸素ではなく、酸素を吸う「資格」だと冗談を言います。

パート1

「高山病」とは何ですか？

高山病は、高山病や高山病とも呼ばれ、厳密に言えば高山病の一種です。標高の低い地域から急に標高3,000メートル以上の高原に入り、低圧、低酸素の環境にさらされると、さまざまな不快感が生じます。これは高山病であり、高原地帯に特有の一般的な病気です。

一般的な症状としては、頭痛、不眠、食欲不振、疲労、呼吸困難などがあります。

頭痛は最も一般的な症状であり、額や側頭部にズキズキする痛みを伴うことが多く、夜間や朝起きたときに痛みが悪化します。今回の私の経験を例に挙げてみましょう。夜寝るときに鈍い頭痛を感じ、よく眠れませんでした。朝起きたときに特に疲れを感じました。

高原の気圧は通常平野の半分であり、酸素含有量は比較的薄いです。酸素不足は、いわゆる高山病を引き起こします。体が弱い人の場合、基礎疾患が悪化し、前述のめまい、頭痛、呼吸困難、動悸、倦怠感、脱力感などの症状が出ることもあります。通常、症状が軽い人の場合、3〜5日間酸素をある程度吸入すると、症状は徐々に消えて緩和されます。しかし、患者が重度の高山病を患っている場合、明らかな高山性肺水腫や脳浮腫が発生し、非常に危険です。

高山病「あれら」

（画像出典：https://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/11853206941/641）

パート2

地球上で高度が上がるにつれて酸素が少なくなるのはなぜですか?

私たちの周りの空気は目に見えず、触れることもできませんが、実は地球の重力に引き寄せられ、重さを持っています。それは、私たちが地球の表面の気圧に慣れていて、人体が内部の圧力と外部の圧力のバランスをとることができるため、「押しつぶされている」という感覚がないからです。

空気は地球の重力によって地球の周りに集中しているので、地面に近いほど重力が強くなり、多くのガスが集まり、ガス圧が高くなります。地球から遠く離れると重力は弱くなり、ガスの密度は低くなり、圧力は低くなります。

言い換えれば、気圧とは、私たちが立っている場所から大気の上限まで伸びる垂直の空気柱にかかる重力のことです。標高4,800メートルのナクチュ駅まで登ると、頭上の気柱は4,800メートルから始まり、数千キロメートルまで上昇します。最も低い 4,800 メートルがなければ、底部の気柱の圧力は平野全体の気柱の圧力よりもはるかに低くなります。それに応じて、圧力が低い場所では圧縮された空気の密度も小さくなり、高度 4,800 メートルでの空気の密度も平地よりも低くなります。

したがって、高度が上がれば上がるほど、気圧と密度は低下し、最終的には「真空」になります。空気の密度が低くなり、空気中の酸素の量も少なくなります。そして、酸素は重い元素なので、高度が高いほど酸素の量はより速く減少します。その後、空気中には水素だけが残り、空気が全くなくなるほど低くなることもあります。しかし、私たち人間が生きていくために頼っているのは空気中の酸素です。

高度が高いと気圧と酸素含有量が低くなります（画像出典：https://www.meipian.cn/2cbosflq）

パート3

宇宙で呼吸するための酸素を得る方法は何ですか?

空気は高くなるほど薄くなるので、「宇宙」に到達したときには空気が全くないのではないでしょうか？ 2021年10月、「宇宙出張トリオ」を乗せた神舟13号有人宇宙船が無事に宇宙へ到達した。ミッションによれば、3人の宇宙飛行士は宇宙に6か月間滞在し、宇宙で春節を祝う予定だ。彼らが長い間呼吸している酸素はどこから来るのでしょうか?

宇宙空間は4,800メートルほど低いわけではありません。地球の周りの宇宙空間の最低高度は約10万メートルです。ここには空気がほとんどなく、気圧は地上の100万分の1以下です。

宇宙飛行士がここで呼吸したい場合、それは「酸素を補給する」というほど単純なことではありません。

最初の方法は、もちろん、酸素ボンベを地上から直接持ち込むことです。私たちの探検隊がチベットで酸素バッグと酸素ボンベを購入したのと同じです。この方法は最も直接的ですが、非常に非効率的です。

登山でよく見られる携帯用酸素ボンベ（画像提供：Rehabmart.com）

2番目の方法は、固体燃料酸素発生器です。この方法は主に化学反応を利用して酸素を生成するもので、同様の装置はチベットでも購入できます。固体原料は保管が容易で、より少ない容積でより多くの酸素を貯蔵できます。たとえば、粉末状の塩素酸ナトリウムと鉄粉の混合物が入った金属缶に火をつけると、鉄が燃えて化学反応に必要な熱が発生し、その結果塩化ナトリウムと酸素が生成されます。民間航空機では、客室内の気圧が低下したときに酸素を生成するために同様の方法を使用しています。

3番目の方法は水の電気分解です。この方法は地上ではほとんど使用されませんが、宇宙ステーションに酸素を供給するための非常に重要な手段です。

地上では、水の電気分解には大量のエネルギーが消費され、生成される水素は危険です。しかし、宇宙ステーションでは電力供給は問題になりません。巨大な太陽電池パネルは無料で電力を供給し、生成された水素は宇宙に放出することができます。原材料として使用される水は、補給船を介して地球から宇宙ステーションまで輸送することができます。客室内の空気中の水蒸気も凝縮器を通して回収できるほか、宇宙飛行士の尿を使って濾過し、リサイクルすることもできる。国際宇宙ステーションの酸素発生器は水を電気分解して酸素を生成する装置であると報告されています。

国際宇宙ステーションの内部（画像提供：百度ギャラリー）

パート4

宇宙で呼吸するには、外に出ずにただ中に入るだけではだめだ

人間は呼吸すると酸素を摂取し、二酸化炭素を吐き出します。宇宙ステーションは密閉されています。長い時間が経つと、部屋が二酸化炭素で満たされるのではないでしょうか？二酸化炭素はどこに行くのでしょうか？

これには、宇宙ステーションの空気システムについて言及する必要があります。このシステムは、酸素を準備して供給するだけでなく、宇宙飛行士が吐き出す二酸化炭素を処理する必要もあります。

宇宙飛行士が呼吸する空気中に生成される二酸化炭素は、空気システムによって処理されており、例えば、ゼオライト分子ふるいを使用して空気から二酸化炭素を除去することができます。言い換えれば、空気システムは酸素を生成できるだけでなく、二酸化炭素を除去できる必要もあります。空気中にはメタン、アセトン、メタノール、一酸化炭素などの他のガスも含まれており、宇宙ステーションの活性炭フィルターの助けを借りて除去することができます。したがって、宇宙飛行士が使用する呼吸システムは、単なる酸素準備システムではなく、実際には空気循環および濾過システムと呼ぶべきものです。

宇宙飛行士が宇宙で安全に新年を過ごし、ミッションを成功させることができるのは、これらの航空システムの助けのおかげです。彼らの凱旋を期待しましょう！

制作：中国科学普及協会

プロデューサー: 王正

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

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この記事は著者の見解のみを表しており、中国科学博覧会の立場を代表するものではありません。

この記事は中国科学博覧会（kepubolan）に最初に掲載されました。

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