Các phi hành gia hít thở như thế nào trong không gian?

Các kỹ sư đã phải nghĩ ra một số cách đặc biệt để tạo ra oxy trong môi trường chân không của không gian. Dưới đây là cách phi hành gia thở trong vũ trụ.

Cách thở trong vũ trụ

Năm 1997, một vụ hỏa hoạn đã xảy ra trên trạm vũ trụ Mir, tiền thân của Trạm vũ trụ quốc tế. Thủ phạm là máy tạo oxy trên tàu vũ trụ, đốt các bình lithium perchlorate rắn để tạo ra bầu không khí có thể thở được. Vật liệu từ một chiếc găng tay cao su, có thể còn sót lại bên trong máy phát điện trong quá trình lắp ráp, đã bắt lửa khi máy được kích hoạt, tạo ra một đám cháy kéo dài khoảng 14 phút trước khi có thể dập tắt hoàn toàn.

Mặc dù không có phi hành đoàn nào bị thương, nhưng vụ tai nạn đã nhấn mạnh đến sự khó khăn và rủi ro về an toàn khi cung cấp cho các phi hành gia nguồn cung cấp oxy liên tục trong suốt thời gian họ ở trên quỹ đạo. Tương tự như hệ thống lọc nước trên tàu, các thiết bị tạo ra nguồn cung cấp cứu mạng này đã phát triển đáng kể kể từ khi Cuộc đua không gian bắt đầu vào những năm 1960.

Khói và Mir

Chương trình Apollo, bao gồm sứ mệnh năm 1969 lần đầu tiên đưa con người lên mặt trăng, đã sử dụng Đơn vị Kiểm soát Môi trường (ECU) để duy trì bầu khí quyển oxy nguyên chất trong các mô-đun chỉ huy. ECU được trang bị lithium hydroxide và hộp than hoạt tính để lọc carbon dioxide từ hơi thở của các phi hành gia và hấp thụ mùi hôi. Nó cũng tạo ra nước và duy trì nhiệt độ cabin, cho phép tối đa ba phi hành gia sống sót ở vũ trụ trong 14 ngày.

Trạm vũ trụ Mir, được phóng vào năm 1986, được thiết kế cho các sứ mệnh không gian dài hơn và tạo ra oxy thông qua phản ứng hóa học. Một máy phát điện đốt cháy các bình chứa lithium perchlorate có kích thước bằng bình xịt lớn, giải phóng oxy khi chúng cháy. Một trong những "ngọn nến oxy" này cung cấp đủ không khí thở cho một thành viên phi hành đoàn trong một ngày, nhưng hệ thống đã cho thấy sự yếu kém của nó ở sự cố găng tay cao su.

Sau vụ tai nạn đó, các kỹ sư hàng không vũ trụ đã không còn sử dụng phản ứng hóa học để tạo ra oxy trong không gian nữa. ISS đã thay thế Mir vào đầu những năm 2000 và được trang bị ECU an toàn hơn dựa trên quá trình điện phân, sử dụng máy phát điện để phân tách các phân tử nước qua màng trao đổi proton thành oxy và hydro. Trong khi oxy được tạo ra thông qua quá trình này được giải phóng vào khí quyển, hydro được kết hợp với carbon dioxide do phi hành đoàn thở ra để tạo ra nước uống và mê-tan. Hiện tại, khí mê-tan đang được thải ra khỏi trạm, nhưng một ngày nào đó có thể hữu ích cho các quy trình sản xuất sinh học trên tàu. ISS cũng mang theo mô hình Mir để tạo ra oxy làm phương án dự phòng.

Cuộc sống trong ba lô

Cung cấp oxy cho các phi hành gia khi họ ở bên trong tàu vũ trụ là một chuyện. Làm như vậy khi họ rời khỏi tàu vũ trụ để đi bộ ngoài không gian—để thử nghiệm thiết bị, tiến hành thí nghiệm hoặc thực hiện sửa chữa bên ngoài—là một chuyện khác.

Một bộ đồ vũ trụ hiện đại được thiết kế cho các chuyến đi bộ ngoài không gian, còn được gọi là Đơn vị di chuyển ngoài phương tiện - Extra-Vehicular Mobility Unit (EMU), được trang bị một ba lô chứa nhiều hệ thống hỗ trợ sự sống. Trong số các chức năng khác, nó cung cấp oxy cho mũ bảo hiểm của phi hành gia trong khi lọc carbon dioxide. Bộ đồ cũng bảo vệ cơ thể họ khỏi các lực có khả năng đe dọa tính mạng của chân không mà họ mạo hiểm đi vào.

Ngay cả trước khi vào EMU, các phi hành gia dành nhiều giờ hít thở oxy nguyên chất bên trong khoang khí nén để giảm thiểu khả năng bị hôn mê. Theo cựu phi hành gia Mike Mullane, một mô-đun chỉ huy duy trì áp suất khí quyển là 14,7 pound trên inch vuông (psi), khá giống với Trái đất ở mực nước biển, nhưng áp suất trong bộ đồ vũ trụ chỉ là năm psi. Các phi hành gia phải "hít thở trước" oxy nguyên chất để loại bỏ nitơ khỏi cơ thể và ngăn ngừa sự hình thành các bong bóng khí trong máu - nguyên nhân gây ra tình trạng bệnh khí nén - trước khi đi bộ ngoài không gian. Nếu không, các bong bóng nitơ dư thừa có thể làm tắc nghẽn mạch máu và gây tổn thương mô, dẫn đến đau khớp, đau đầu, yếu cơ, tê liệt, mệt mỏi và lú lẫn, cùng nhiều triệu chứng khác.

Tầm quan trọng của bộ đồ du hành vũ trụ có lẽ được minh họa rõ nhất qua những gì sẽ xảy ra nếu không có chúng. Các phi hành gia sẽ ngay lập tức ngất xỉu vì thiếu oxy trong khi lực chân không sẽ khiến máu và dịch cơ thể của họ, vốn tiến hóa theo điều kiện khí quyển của Trái đất, đóng băng, sôi và vỡ.

Các điều kiện của vũ trụ biến một hành động đơn giản như thở thành một thử thách phức tạp, có khả năng gây tử vong. May mắn thay, đó không phải là điều mà khoa học không thể xử lý được.