Woher kommt der Sauerstoff, den Astronauten im Weltraum atmen?

Anfang April 2021 nahm der Autor an einem Expeditionsteam teil, um den Standort einer Station zu bestätigen, in der Instrumente und Geräte zur Erkennung von Weltraumphänomenen und zur Überwachung des Zustands und der Veränderungen des Universums um die Erde unter dem Einfluss der Sonnenaktivität untergebracht werden sollten. Einige dieser Geräte reagieren sehr empfindlich auf menschliche Aktivitäten und müssen daher häufig in abgelegenen, dünn besiedelten Gebieten platziert werden.

Einer der alternativen Standorte ist die Region Nagqu in Tibet. Nagqu liegt im Norden Tibets, im Herzen des Qinghai-Tibet-Plateaus. Hier entspringen große Flüsse wie der Jangtsekiang, der Nujiang, der Lhasa und der Yagong Zangbo. Der östliche Teil der Stadt Nagqu ist ein Hochplateau mit einer Höhe zwischen 3.800 und 4.500 Metern und einer durchschnittlichen Höhe von etwa 4.100 Metern. Die Höhe dieses Standorts beträgt etwa 4.800 Meter. Das Expeditionsteam hat ihn kurz nach dem Aussteigen aus dem Zug gemessen und festgestellt, dass er bei fast 4.400 Metern liegt.

Als das Expeditionsteam in Nagqu aus dem Zug stieg, betrug die Höhe über 4.400 Meter (Quelle: Eigenbau)

Da der Autor aus den Central Plains stammt, traten bei ihm schon früh Symptome wie Kopfschmerzen auf. Viele Mitglieder des Expeditionsteams benötigten Sauerstoff. Glücklicherweise gab es im Hotel Sauerstoffspender und auch in der Apotheke konnte Sauerstoff gekauft werden. Ein aufblasbares Kissen, das 40 Minuten lang Sauerstoff liefern kann, kostet 50 Yuan, und das Aufblasen kostet nur 5 Yuan. Deshalb scherzen wir, dass nicht der Sauerstoff teuer sei, sondern die „Qualifikation“, Sauerstoff zu atmen.

Teil 1

Was ist „Höhenkrankheit“?

Die Höhenkrankheit, auch Höhenkrankheit oder Bergkrankheit genannt, ist strenggenommen eine Form der Höhenkrankheit. Das schnelle Betreten einer Hochebene auf über 3.000 Metern über dem Meeresspiegel aus einem niedrig gelegenen Gebiet und die Aussetzung einer Umgebung mit niedrigem Druck und Sauerstoffgehalt führt zu verschiedenen Beschwerden. Dabei handelt es sich um die Höhenkrankheit, eine häufige Erkrankung, die nur in Hochplateaus auftritt.

Zu den häufigsten Symptomen zählen Kopfschmerzen, Schlaflosigkeit, Appetitlosigkeit, Müdigkeit und Atembeschwerden.

Das häufigste Symptom sind Kopfschmerzen, oft verbunden mit pochenden Schmerzen in der Stirn und im Schläfenbereich, die sich nachts oder morgens beim Aufstehen verschlimmern. Nehmen Sie meine Erfahrung dieses Mal als Beispiel. Wenn ich abends ins Bett ging, hatte ich dumpfe Kopfschmerzen und konnte nicht gut schlafen. Ich fühlte mich besonders müde, als ich morgens aufwachte.

Der Luftdruck auf dem Plateau beträgt normalerweise die Hälfte des Luftdrucks in der Ebene und der Sauerstoffgehalt ist relativ gering. Der Sauerstoffmangel verursacht das, was wir oft als Höhenkrankheit bezeichnen. Bei körperlich schwächeren Menschen verschlimmern sich die Grunderkrankungen und es können sogar die bereits erwähnten Schwindelgefühle, Kopfschmerzen, Atemnot, Herzklopfen, Müdigkeit und Schwäche auftreten. Normalerweise können bei Personen mit leichten Symptomen die Symptome nach 3–5 Tagen Sauerstoffinhalation bis zu einem gewissen Grad allmählich verschwinden und gelindert werden. Wenn der Patient jedoch an schwerer Höhenkrankheit leidet, treten offensichtliche Höhenlungenödeme und Hirnödeme auf, was sehr gefährlich ist.

Höhenkrankheit "diese Dinger"

(Bildquelle: https://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/11853206941/641)

Teil 2

Warum gibt es auf der Erde weniger Sauerstoff, je höher man kommt?

Obwohl die Luft um uns herum weder gesehen noch berührt werden kann, wird sie tatsächlich von der Schwerkraft der Erde angezogen und hat Gewicht. Das liegt einfach daran, dass wir an den Luftdruck auf der Erdoberfläche gewöhnt sind und der menschliche Körper einen Ausgleich zwischen Innen- und Außendruck herstellen kann, sodass wir nicht das Gefühl haben, „zerquetscht“ zu werden.

Da die Luft durch die Erdanziehungskraft um die Erde konzentriert ist, gilt: Je näher man dem Boden ist, desto stärker ist die Schwerkraft, desto mehr Gas sammelt sich an und desto höher ist der Gasdruck. In großer Entfernung von der Erde ist die Schwerkraft schwächer, das Gas hat eine geringere Dichte und der Druck ist niedriger.

Anders ausgedrückt ist der Luftdruck die Schwerkraft auf die vertikale Luftsäule, die sich von unserem Standort bis zur Obergrenze der Atmosphäre erstreckt. Wenn ich zur Nagqu-Station auf 4.800 Metern Höhe steige, beginnt die Luftsäule über meinem Kopf auf 4.800 Metern und reicht bis zu Tausenden von Kilometern. Ohne die untersten 4.800 Meter ist der Druck der Luftsäule am Boden weitaus geringer als der Druck der gesamten Luftsäule in der Ebene; entsprechend ist auch die Dichte der Druckluft an Orten mit geringerem Druck geringer und auch die Luftdichte in 4.800 Metern Höhe ist geringer als in der Ebene.

Je höher man steigt, desto geringer werden daher Luftdruck und -dichte, bis schließlich ein „Vakuum“ entsteht. Die Luftdichte ist geringer und auch der Sauerstoffgehalt der Luft ist geringer. Und da Sauerstoff ein schwereres Element ist, nimmt die Sauerstoffmenge in größeren Höhen tatsächlich schneller ab. Später ist nur noch Wasserstoff in der Luft vorhanden und manchmal sinkt der Wasserstoffgehalt so weit ab, dass überhaupt keine Luft mehr vorhanden ist. Für uns Menschen ist jedoch der Sauerstoff in der Luft überlebenswichtig.

In großen Höhen sind Luftdruck und Sauerstoffgehalt niedrig (Bildquelle: https://www.meipian.cn/2cbosflq)

Teil 3

Wie kann man im Weltraum Sauerstoff zum Atmen gewinnen?

Je höher man steigt, desto dünner wird die Luft. Wenn man also den „Weltraum“ erreicht, ist da dann nicht überhaupt keine Luft mehr? Im Oktober 2021 ist das bemannte Raumschiff Shenzhou 13 mit dem „Space Business Trip Trio“ erfolgreich ins All eingetreten. Der Mission zufolge werden die drei Astronauten sechs Monate im Weltraum bleiben und dort das Frühlingsfest feiern. Woher kommt der Sauerstoff, den sie so lange atmen?

Der Weltraum liegt nicht so tief wie 4.800 Meter. Die niedrigste Höhe des Weltraums um die Erde beträgt etwa 100.000 Meter. Hier gibt es fast keine Luft und der Luftdruck beträgt sogar nur ein Millionstel des Drucks am Boden.

Wenn Astronauten hier atmen wollen, ist dies nicht so einfach wie „Sauerstoff auffüllen“.

Die erste Methode besteht natürlich darin, Sauerstofftanks direkt vom Boden zu holen. So wie unser Expeditionsteam in Tibet Sauerstoffbeutel und Sauerstoffflaschen gekauft hat. Diese Methode ist die direkteste, aber auch sehr ineffizient.

Tragbare Sauerstoffflaschen, die häufig beim Bergsteigen verwendet werden (Bildquelle: Rehabmart.com)

Die zweite Methode ist ein Sauerstoffgenerator mit Festbrennstoff. Bei dieser Methode werden hauptsächlich chemische Reaktionen zur Sauerstofferzeugung eingesetzt. Ähnliche Geräte sind auch in Tibet erhältlich. Feste Rohstoffe sind leicht zu lagern und können auf kleinerem Volumen mehr Sauerstoff speichern. Wenn beispielsweise eine Metalldose eine Mischung aus Natriumchloratpulver und Eisenpulver enthält, verbrennt das Eisen beim Entzünden und erzeugt die für eine chemische Reaktion erforderliche Hitze, bei der wiederum Natriumchlorid und Sauerstoff entstehen. Verkehrsflugzeuge verwenden eine ähnliche Methode, um Sauerstoff zu erzeugen, wenn der Kabinendruck abfällt.

Die dritte Methode ist die Elektrolyse von Wasser. Diese Methode wird auf der Erde selten verwendet, ist jedoch ein sehr wichtiges Mittel zur Sauerstoffversorgung der Raumstation.

Auf der Erde verbraucht die Elektrolyse von Wasser viel Energie und der entstehende Wasserstoff ist gefährlich. Die Stromversorgung stellt auf der Raumstation jedoch kein Problem dar. Die riesigen Solarmodule können kostenlosen Strom liefern und der produzierte Wasserstoff kann ins All abgegeben werden. Der als Rohstoff genutzte Wasser kann mit Versorgungsschiffen von der Erde zur Raumstation transportiert werden. Wasserdampf in der Kabinenluft kann auch durch Kondensatoren zurückgewonnen oder sogar mithilfe des Urins der Astronauten gefiltert und recycelt werden. Berichten zufolge handelt es sich bei dem Sauerstoffgenerator der Internationalen Raumstation um ein Sauerstoff erzeugendes Gerät, das Wasser elektrolysiert.

Das Innere der Internationalen Raumstation (Bildquelle: Baidu Gallery)

Teil 4

Um im Raum zu atmen, kann man nicht einfach hineingehen, ohne hinauszugehen

Wenn Menschen atmen, verbrauchen sie Sauerstoff und atmen Kohlendioxid aus. Die Raumstation ist versiegelt. Wäre der Raum nach langer Zeit nicht mit Kohlendioxid gefüllt? Wohin geht das Kohlendioxid?

Erwähnenswert ist hier das Luftsystem der Raumstation, das nicht nur Sauerstoff aufbereitet und bereitstellt, sondern auch das von den Astronauten ausgeatmete Kohlendioxid verarbeiten muss.

Das in der Atemluft der Astronauten entstehende Kohlendioxid wurde vom Luftsystem verarbeitet. Beispielsweise können Zeolith-Molekularsiebe verwendet werden, um Kohlendioxid aus der Luft zu entfernen. Mit anderen Worten: Das Luftsystem muss nicht nur Sauerstoff produzieren, sondern auch Kohlendioxid entfernen können. In der Luft befinden sich noch weitere Gase wie Methan, Aceton, Methanol und Kohlenmonoxid, die mit Hilfe von Aktivkohlefiltern auf der Raumstation entfernt werden können. Daher müsste das Atemsystem der Astronauten eigentlich als Luftzirkulations- und Filtersystem und nicht nur als Sauerstoffaufbereitungssystem bezeichnet werden.

Mithilfe dieser Luftsysteme können Astronauten das neue Jahr sicher im Weltraum verbringen und ihre Missionen erfolgreich abschließen. Freuen wir uns auf ihre triumphale Rückkehr!

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: Wang Zheng

Hersteller: Computer Network Information Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

(Die in diesem Artikel angegebenen Bilder mit Quellenangabe wurden autorisiert)

Der Artikel gibt nur die Ansichten des Autors wieder und repräsentiert nicht die Position der China Science Expo

Dieser Artikel wurde zuerst in der China Science Expo (kepubolan) veröffentlicht.

Bitte geben Sie beim Nachdruck die Quelle des öffentlichen Kontos an

Chinesische Wissenschaftsausstellung