นักบินอวกาศหายใจในอวกาศอย่างไร?

วิศวกรต้องคิดหาวิธีพิเศษบางอย่างเพื่อสร้างออกซิเจนในสุญญากาศของอวกาศ นี่คือวิธีหายใจของนักบินอวกาศในอวกาศ

วิธีหายใจในอวกาศ

ในปีพ.ศ.2540 เกิดไฟไหม้ที่สถานีอวกาศเมียร์ ซึ่งเป็นต้นแบบของสถานีอวกาศนานาชาติ ผู้ร้ายคือเครื่องกำเนิดออกซิเจนของยานอวกาศซึ่งเผาถังลิเธียมเปอร์คลอเรตแข็งเพื่อสร้างบรรยากาศที่หายใจได้ วัสดุจากถุงมือยางที่อาจจะทิ้งไว้ข้างในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขณะประกอบ เกิดติดไฟเมื่อเครื่องถูกเปิดใช้งาน ก่อให้เกิดไฟที่ลุกไหม้เป็นเวลาประมาณ 14 นาทีจึงจะดับได้หมด

แม้ว่าลูกเรือจะไม่ได้รับบาดเจ็บแต่อย่างใด แต่เหตุการณ์นี้ชี้ให้เห็นถึงความยากลำบากและความเสี่ยงด้านความปลอดภัยในการจ่ายออกซิเจนให้กับนักบินอวกาศอย่างต่อเนื่องตลอดเวลาที่อยู่ในวงโคจร คล้ายกับระบบกรองน้ำบนเรือ อุปกรณ์ที่สร้างแหล่งช่วยชีวิตนี้ได้รับการพัฒนามาอย่างมากตั้งแต่การแข่งขันอวกาศเริ่มต้นขึ้นในทศวรรษ 1960

สโมคและเมียร์

โครงการ Apollo ซึ่งรวมถึงภารกิจในปี 1969 ที่ส่งมนุษย์ไปเหยียบดวงจันทร์เป็นครั้งแรก ได้ใช้หน่วยควบคุมสิ่งแวดล้อม (ECU) เพื่อรักษาบรรยากาศออกซิเจนบริสุทธิ์ในโมดูลควบคุม ECU ติดตั้งด้วยลิเธียมไฮดรอกไซด์และตลับคาร์บอนกัมมันต์เพื่อกรองคาร์บอนไดออกไซด์จากลมหายใจของนักบินอวกาศและดูดซับกลิ่น นอกจากนี้ยังสร้างน้ำและรักษาอุณหภูมิห้องโดยสาร ช่วยให้นักบินอวกาศสูงสุด 3 คนสามารถมีชีวิตอยู่ได้ในอวกาศนานถึง 14 วัน

สถานีอวกาศเมียร์ เปิดตัวในปีพ.ศ. 2529 ออกแบบมาเพื่อภารกิจอวกาศที่ยาวนานขึ้น และผลิตออกซิเจนผ่านปฏิกิริยาทางเคมี เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะจุดระเบิดถังลิเธียมเปอร์คลอเรตที่มีขนาดเท่ากับกระป๋องสเปรย์ขนาดใหญ่ ทำให้ปล่อยออกซิเจนออกมาเมื่อถูกเผาไหม้ “เทียนออกซิเจน” หนึ่งอันสามารถให้อากาศหายใจเพียงพอสำหรับลูกเรือหนึ่งคนได้หนึ่งวัน แต่ระบบนี้แสดงจุดอ่อนในเหตุการณ์ถุงมือยาง

หลังจากอุบัติเหตุครั้งนั้น วิศวกรการบินและอวกาศไม่ใช้ปฏิกิริยาเคมีเพื่อสร้างออกซิเจนในอวกาศอีกต่อไป ISS มาแทนที่ Mir ในช่วงต้นทศวรรษปี 2000 และติดตั้ง ECU ที่ปลอดภัยกว่าโดยใช้กระบวนการอิเล็กโทรไลซิส ซึ่งใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพื่อแยกโมเลกุลน้ำผ่านเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนให้เป็นออกซิเจนและไฮโดรเจน ในขณะที่ออกซิเจนที่ผลิตขึ้นจากกระบวนการนี้ถูกปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ ไฮโดรเจนจะรวมกับคาร์บอนไดออกไซด์ที่ลูกเรือหายใจออกมาเพื่อผลิตน้ำดื่มและมีเทน ปัจจุบัน ก๊าซมีเทนถูกระบายออกจากสถานีแล้ว แต่ในอนาคต ก๊าซมีเทนอาจนำไปใช้ประโยชน์ในกระบวนการผลิตทางชีวภาพบนสถานีได้ นอกจากนี้ ISS ยังพกพาโมเดล Mir เพื่อสร้างออกซิเจนสำรองอีกด้วย

ชีวิตในกระเป๋าเป้

การให้ออกซิเจนแก่นักบินอวกาศขณะที่พวกเขาอยู่ภายในยานอวกาศเป็นอีกสิ่งหนึ่ง การทำเช่นนั้นเมื่อพวกเขาออกจากยานอวกาศเพื่อเดินในอวกาศ—เพื่อทดสอบอุปกรณ์ ทำการทดลอง หรือซ่อมแซมภายนอก—เป็นอีกวิธีหนึ่ง

ชุดอวกาศสมัยใหม่ที่ออกแบบมาสำหรับการเดินอวกาศ หรือที่เรียกว่าหน่วยการเคลื่อนที่นอกยานพาหนะ (EMU) มาพร้อมกับเป้สะพายหลังที่บรรจุระบบช่วยชีวิตต่างๆ นอกจากหน้าที่อื่นๆ แล้ว ยังทำหน้าที่จ่ายออกซิเจนให้กับหมวกของนักบินอวกาศพร้อมกรองคาร์บอนไดออกไซด์อีกด้วย ชุดดังกล่าวยังช่วยปกป้องร่างกายของพวกเขาจากพลังสุญญากาศที่อาจคุกคามชีวิตได้อีกด้วย

ก่อนที่จะเข้าไปในยาน EMU นักบินอวกาศต้องใช้เวลาหลายชั่วโมงในการหายใจเอาออกซิเจนบริสุทธิ์ภายในแคปซูลอากาศอัด เพื่อลดความเสี่ยงในการเกิดอาการโคม่า ตามที่อดีตนักบินอวกาศ ไมค์ มัลเลน กล่าวไว้ว่า โมดูลควบคุมจะรักษาความดันบรรยากาศไว้ที่ 14.7 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (psi) ซึ่งแทบจะเท่ากับความดันของโลกที่ระดับน้ำทะเล แต่ความดันในชุดอวกาศอยู่ที่เพียงแค่ 5 psi เท่านั้น นักบินอวกาศจะต้อง "หายใจ" ออกซิเจนบริสุทธิ์ล่วงหน้าเพื่อกำจัดไนโตรเจนออกจากร่างกายและป้องกันการเกิดฟองก๊าซในเลือด ซึ่งเป็นสาเหตุของอาการป่วยจากอากาศอัด ก่อนที่จะเดินในอวกาศ มิฉะนั้น ฟองไนโตรเจนส่วนเกินจะอุดตันหลอดเลือดและทำให้เนื้อเยื่อเสียหาย ซึ่งนำไปสู่อาการปวดข้อ ปวดศีรษะ กล้ามเนื้ออ่อนแรง อัมพาต อ่อนล้า และสับสน และมีอาการอื่นๆ อีกมากมาย

ความสำคัญของชุดอวกาศอาจอธิบายได้ดีที่สุดจากสิ่งที่จะเกิดขึ้นหากไม่มีชุดอวกาศ นักบินอวกาศจะหมดสติทันทีเนื่องจากขาดออกซิเจน ในขณะที่ภาวะสุญญากาศจะทำให้เลือดและของเหลวในร่างกายของพวกเขา ซึ่งวิวัฒนาการมาภายใต้สภาวะบรรยากาศของโลก แข็งตัว เดือด และแตกออก

สภาวะต่างๆ ของจักรวาลทำให้การกระทำง่ายๆ เช่น การหายใจ กลายเป็นความท้าทายที่ซับซ้อนและอาจถึงแก่ชีวิตได้ โชคดีที่มันไม่ใช่สิ่งที่วิทยาศาสตร์ไม่สามารถจัดการได้