地球上では、新鮮な空気が常に供給されています。私たちは酸素を吸い込み、二酸化炭素を吐き出します。これらのガスは、植物によって光合成のプロセスを通じてリサイクルされます。植物は二酸化炭素を吸収し、酸素を放出します。それは広大なスケールでの素晴らしいサイクルです。しかし、スペースシャトルや宇宙ステーションのような、宇宙船の小さく限られたキャビンでは何が起こっているのでしょうか?
ほとんどの宇宙船は独自の酸素供給源を搭載しており、1 つのバックアップ システムを備えている場合があります。ただし、これらの宇宙船のミッションは数日から 2 週間程度の短期間で終わります。対照的に、国際宇宙ステーション (ISS) は長期宇宙飛行用に設計され、1998 年から軌道上にいます。では、ISS 内では酸素はどのように作られているのでしょうか?酸素発生装置、加圧酸素タンク、固体燃料酸素発生装置 (酸素キャンドルとも呼ばれます) を使用する 3 つの方法のいずれかで処理されます。
主な方法は、酸素発生装置であるロシア製のエレクトロンと米国の環境制御生命維持システム (ECLSS) によって実現されます。 Elektron はサービス モジュール (Zvezda) にあり、ECLSS は Destiny 研究所モジュールにあります。これらのデバイスは、電気分解と呼ばれるプロセスによって水から酸素を生成します。このプロセス中に、アノードと呼ばれる正に帯電した電極からカソードと呼ばれる別の負に帯電した電極に電流が水に流れます。水自体は電気を通しにくいため、水中には電気を通すための低濃度の塩が含まれています。その過程で、水は水素ガスと酸素ガスに分解されます。プロセスの化学反応の仕組みは次のとおりです。
- 陰極では、還元と呼ばれる一種の反応が起こります。カソードからの電子 (e – ) は水 (H 2 O) と結合して、水素ガス (H 2 ) と水酸化物イオン (OH – ) を生成します: 2H 2 O (l) + 2e – ->H 2 (g) + 2 OH – (aq)。
- アノードでは、酸化と呼ばれる一種の反応が発生します。電子は水から取り出され、陽極に流れ込みます。水から電子を取り除くと、酸素ガス (O 2 ) と水素イオン (H + ) が生成されます: 2H 2 O (l) -> O 2 (g) + 4 e – + 4 H +
電気はステーションのソーラーパネルで生成され、ステーションの送電網を通じて酸素発生装置に供給されます。水はプログレス供給船とスペースシャトルによって地球からステーションに届けられます。水はまた、客室の空気から水蒸気を除去する凝縮器によっても回収されます (宇宙飛行士は水蒸気を吐き出します)。最後に、ECLSS ユニットによって宇宙飛行士の尿から水を再利用することができます。電気分解プロセスで生成された水素ガスは宇宙に排出され、酸素ガスは車室内の空気に循環されます。
次に、ISS が酸素を製造する他の方法を見てみましょう。
ISS 内で酸素を作る
ご存知のとおり、国際宇宙ステーション(ISS) での酸素の供給は、酸素発生装置、加圧酸素タンク、または固体燃料酸素発生装置を使用する 3 つの方法のいずれかで処理されます。前のページでは、酸素発生装置について説明しました。次に、他の 2 つの方法について説明します。
2 番目の方法では、酸素は生成されず、地球から ISS に届けられます。プログレス社の供給船、欧州の自動搬送車、米国のスペースシャトルがステーションに停泊する際、エアロックノードの加圧タンクに酸素を送り込む。また、それらのエアロックにある他の加圧タンクに窒素ガスをポンプで送り込みます。ステーションの大気制御装置は、地球の大気に対して適切な割合でガスを混合し、その混合物を客室内に循環させます。
3番目の方法は、化学反応によって酸素を生成するバックアップシステムです。このシステムは固体燃料酸素発生装置 (SFOG) と呼ばれ、ステーションのサービスモジュール (Zvezda) に設置されています。酸素キャンドルまたは塩素酸キャンドルとも呼ばれる SFOG には、粉末状の塩素酸ナトリウム (NaClO 3 ) と鉄 (Fe) 粉末の混合物が入ったキャニスターがあります。 SFOG が点火すると、鉄は 1112 °F (600 ℃) で「燃焼」し、反応に必要な熱エネルギーを供給します。塩素酸ナトリウムは、塩化ナトリウム（食塩-NaCl）と酸素ガス（O 2 ）に分解されます。酸素の一部は鉄と結合して酸化鉄 (FeO) を形成します。
600℃
NaClO 3 (s) + Fe (s) -> 3O 2 (g) + NaCl (s) + FeO (s)
SFOG は、混合物 1 キログラムあたり 6.5 人時の酸素を供給します。ロシアの宇宙服もSFOGを使って酸素を製造している。
NASA の科学者たちは、将来の宇宙ステーションやスペース コロニーで、植物を育てることによって酸素を生成し、二酸化炭素を自然に除去することを望んでいます。この植物は呼吸可能な空気を供給し、宇宙飛行士の食糧源となるだろう。しかし、解決しなければならない問題の 1 つは、狭いスペースで大量の植物をどうやって育てるかということです。宇宙ステーション内の居住スペースは限られています。
