跨学科实践活动4 空间站中“再生生保系统”方案设计（教学课件）化学新教材鲁教版五四学制九年级全一册

该初中化学课件聚焦空间站“再生生保系统”，核心讲解氧气再生（电解水、二氧化碳处理）和水净化循环（废水分源收集、多级净化）原理，通过天宫航天员训练片段导入，以“需求分析→原理探究→方案设计→优化迭代”为支架，衔接化学知识与航天工程实践。 其亮点是跨学科实践与真实情境融合，通过定量计算（如3名航天员每日耗氧电解水计算）、流程图绘制等活动落实科学探究与实践，结合中国航天自主研发案例培养科学态度与责任，学生提升问题解决能力，教师获得核心素养导向的教学素材。

第五单元 化学与健康 跨学科实践活动4 空间站中 “再生生保系统”方案设计 九年级化学全一册·鲁教版五四学制2024 学习内容导览 空间站水循环系统方案设计 2 空间站氧循环系统方案设计 1 2 明·学习目标 1.理解再生生保系统的核心功能，能说出氧气再生、水净化、二氧化碳处理的基本化学原理。能根据航天员代谢数据，完成氧气制备、水资源循环的定量计算。 2.通过资料分析、定量计算、方案设计，提升跨学科问题解决能力。经历“需求分析→原理探究→方案设计→优化迭代”的工程实践流程，体验航天工程思维。 3.能设计包含物质循环的再生生保系统方案，并绘制流程图。感受我国航天科技的自主创新成就，增强民族自豪感。树立资源循环利用的环保意识，理解自主创新对国家科技安全的重要性。 3 引·新课导入 同学们，刚刚我们观看了天宫空间站航天员的日常训练片段，严苛的训练背后，是太空环境的极端严苛。太空为真空环境，不存在可供人类呼吸的空气，也没有天然水源，无法支撑人类长期生存。 我国航天员要在空间站驻留数月之久，仅依靠地面携带的补给，难以满足长期任务需求。那么，在没有天然空气与水源的太空环境中，航天员究竟如何维持生命、完成科研任务？ 这一切，都依赖于空间站的核心装备 ——再生生命保障系统。它通过专业技术实现氧气、水资源的循环再生，解决了太空生存的核心难题。今天，我们就来探究这套系统中循环系统的科学原理。 空间站氧循环系统 方案设计 01 探·知识奥秘 一、空间站氧循环系统方案设计 明确任务 星空浩瀚无比，探索永无止境，只有不断创新，中华民族才能走向更好的未来。2023 年，神舟十六号腾飞， 神舟十五号凯旋，中国空间站闪耀太空，在浩瀚宇宙中书写了新时代的壮丽篇章。 你想探索一“再生生保系统”的工作原理并参与“再生生保系统”的设计吗？ 我们知道，太空中没有氧气和水，航天员在太空中生存面临很多困难和挑战。我国“天宫”空间站的天和核心舱运用了自主研发的“再生生保系统”，将空间站打造成了节能典范，有效保障了航天员的太空生存。 6 探·知识奥秘 一、空间站氧循环系统方案设计 明确任务 再生生保系统如何实现氧气再生？ 为什么水的回收对氧循环至关重要？ 氧循环系统用到了哪些物理、化学方法？ 氧循环怎样提升空间站物资的循环利用率？ 氧循环系统如何保障航天员长期驻留？ 7 探·知识奥秘 一、空间站氧循环系统方案设计 明确原理 再生生保系统”全称再生生命保障系统。它主要是以物理、化学方法为基础，通过在空间站中开展空气净化、氧气再生、冷凝水和尿液净化回收等，实现环境控制和生命保障功能。“再生生保系统”极大地提高了空间站物资循环利用率，成为保障航天员长期驻留空间站的关键。 这套系统至少满足以下要求： 1. 能够持续稳定地供给氧气。 2. 能够将呼吸产生的二氧化碳等废气除去或回收再生。 3. 能够对空间站中的废水进行净化和回收再生。 如何实现氧气的循化？ 有哪些方法可以在空间站中制取氧气？ 人呼出的二氧化碳有何用处？ 8 探·知识奥秘 一、空间站氧循环系统方案设计 氧气再生：电解水制氧 核心化学原理：电解水制氧气 2H2O===2H2↑+O2↑ 通电 携带高压氧气瓶进入太空既不安全，又需要耗费巨额发射成本。我国空间站主要通过电解水来为航天员提供氧气。 定量计算：根据3名航天员每天耗氧0.9×3=2.7 kg，每天需要电解多少千克水？ 解：设生需要电解水的质量为x x 2.7kg 36 32 x ≈ 3.04kg 36 32 2.7kg = x 2H2O===2H2↑+O2↑ 通电 每天需要电解3.04kg水 净化后的再生水进入电解槽，在电场作用下分解为氧气和氢气。氧气直接送入舱内供航天员呼吸，氢气则被收集并送入二氧化碳处理模块，参与后续循环反应。提供 90% 以上的氧气，副产物氢气参与二氧化碳循环。 9 探·知识奥秘 一、空间站氧循环系统方案设计 二氧化碳处理：化学吸收与转化 长期任务方案：萨巴蒂尔反应（闭环核心） 原理：电解水产生的氢气与航天员呼出的二氧化碳反应，生成水和甲烷 CO2+4H2 === CH4+2H2O 催化剂 航天员呼吸会产生大量二氧化碳（约 1kg / 人・天），若不处理会危及生命安全，同时也可作为氧循环的原料。 短期任务方案：氢氧化锂吸收法 原理：利用氢氧化锂（LiOH）与二氧化碳发生反应，将其固定为碳酸锂，同时生成水。 CO2+2LiOH === Li2CO3+H2O 该方法效率高，但氢氧化锂为消耗性材料，无法循环利用，仅适合短期任务。 萨巴蒂尔反应产生的甲烷，在现有空间站中没有实际使用价值，属于反应副产物，会被直接排出舱外。这个反应的核心目的是生成水，让水重新参与电解制氧，完成氧循环，甲烷只是为了得到水而不得不产生的废弃物。 10 探·知识奥秘 一、空间站氧循环系统方案设计 方案设计 你能否根据以上信息，绘制空间站养循环系统方案设计流程图？小组合作，完成方案设计。 11 探·知识奥秘 一、空间站氧循环系统方案设计 方案分析 氧循环核心原理 空间站氧循环的核心，是将净化回收的水经电解生成氧气供航天员呼吸，再把呼出的二氧化碳与电解副产物氢气通过萨巴蒂尔反应再生水，形成水 — 氧气 — 二氧化碳 — 水的闭环，实现氧气的自主循环供给。 甲烷的存在，是实现氧、水循环的 “必要副产物” 甲烷本身没用，但这个反应必须生成它，才能把 CO₂和 H₂转化为水。生成的水经过净化，回到电解水系统制氧，间接让二氧化碳里的氧元素重新回到氧循环，这才是反应的核心目的，甲烷只是伴随产生的废弃物。 甲烷未来可能的利用方向 作为燃料：甲烷是优质火箭燃料，未来深空探测、月球基地、火星基地，可收集甲烷，作为航天器往返的推进剂，实现就地取材。作为化工原料：通过进一步化学反应，制备有机物，为长期太空基地提供基础材料，构建更完整的闭环生态。 12 探·知识奥秘 一、空间站氧循环系统方案设计 拓展阅读 破局封锁 筑梦太空——我国空间站氧循环系统自主研发之路 我国空间站氧循环系统的研发，源于打破技术封锁、实现太空长期驻留的迫切需求。早年神舟飞船等短期载人任务，航天员生存所需氧气和水完全依赖地面补给，不仅成本极高，更受货运运力限制，难以支撑空间站长期运营，而国际上相关核心技术对我国严密封锁，自主研发成为唯一出路。2005年，在国家863计划支持下，科研团队毅然开启再生生保技术预研，氧循环作为核心子系统同步启动论证。 2008年，再生式环控生保技术正式立项，明确以电解水制氧、二氧化碳还原为核心路线。此后十年，一支平均年龄仅33岁的团队，踏上了攻坚克难的艰辛征程。面对微重力下水气分离、高效膜材料等世界难题，他们无经验可借鉴，便泡在实验室反复试验，仅电解制氧膜材料就历经千次迭代，耗时9年攻克微生物滋生、膜孔堵塞等困境，最终实现寿命提升10倍、重量降至原来1/4的突破。疫情期间，团队放弃春节团圆，以冲刺速度完成子系统整体交付；试验中遭遇部件爆裂等突发状况，便连夜排查、逐项破解，用坚韧与执着诠释了中国航天人的责任与担当。 2020年，氧循环相关子系统圆满完成正样交付，2021年随天和核心舱成功入轨，在神舟十二号任务中顺利保障3名航天员90天驻留供氧。如今，该系统已实现氧气100%再生，每年减少上行补给物资6吨，彻底摆脱对地面的长期依赖，技术水平跻身世界前列。从无到有、从追赶到领跑，我国空间站氧循环系统的研发历程，是中国航天自主创新的生动缩影，凝聚着一代代航天人的心血与智慧，更彰显了中华民族自强不息、勇攀高峰的精神，让中国航天员在浩瀚太空稳稳呼吸，为我国深空探测事业奠定了坚实基础。 13 空间站水循环系统 方案设计 02 探·知识奥秘 二、空间站水循环系统方案设计 明确任务 氧气再生的核心反应需要水作为原料，太空环境中不存在天然液态水，无法从外界获取水源。因此水的回收对氧循环至关重要。 如何实现空间站中的水循环？哪些水可以循环利用？观看视频，了解关键信息。 15 探·知识奥秘 二、空间站水循环系统方案设计 明确任务 空间站几乎会收集所有非放射性、非剧毒的废水，可循环的水源主要分为四大类，覆盖航天员代谢、生活、航天器运行的全场景。 这是空间站最主要的回收水源，包括航天员呼吸时呼出的水蒸气、皮肤表面蒸发的汗液，在舱体冷壁上凝结形成的冷凝水；以及航天员的尿液，其占可回收废水量的比例较高，是水循环系统的核心处理对象。 航天员代谢水 受太空用水限制，这类废水总量极少，主要包括洗漱、洗手、口腔清洁产生的废水，少量烹饪废水，以及舱内清洁、擦拭设备产生的污水 航天员生活废水 舱内电子设备、科研仪器冷却系统产生的冷凝水；部分试验过程中产生的无毒性、无放射性废水；还有舱内湿度调节系统收集的多余水汽。 航天工艺废水 部分航天器的燃料电池（氢气与氧气发生电化学反应）会直接生成纯净水；后续通过回收氢气与舱内二氧化碳反应，也能额外生成水，进一步补充水循环系统。 系统副产水 16 探·知识奥秘 二、空间站水循环系统方案设计 明确任务 假如空间站中尿液和人体排湿中水的回收、净化率为 80%，神舟十五号3 名航天员在空间站中生活 130 天，需要额外携带多少千克水？ 计算 3 名航天员 130 天产生的尿液 + 排湿水总质量 总产水量 = 3 人 × 130 天 × 2.5kg/(人・天) = 975 kg 计算需要额外携带的水量（未被回收的部分） 额外携带水量 = 总产水量 × (1 - 净化回收率) = 975 kg × 20% = 195 kg 在该回收净化率条件下，3 名航天员在轨生活 130 天，仅针对尿液和人体排湿这部分水源，需要额外从地球携带 195 千克 的水，来弥补无法循环回收的水量缺口。 17 探·知识奥秘 二、空间站水循环系统方案设计 空间站水循环的实现方式 第一步：废水分源收集与预处理 不同废水的污染物成分、浓度差异极大，因此会分类收集、分开处理，避免交叉污染，同时完成初步净化 尿液单独收集，先加入稳定剂，防止尿素分解产生氨气，同时过滤掉毛发、结晶等大颗粒杂质。 冷凝水、生活废水、工艺废水合并收集，通过粗滤、微滤装置，去除悬浮颗粒物、毛发等肉眼可见杂质，同时调节水温、pH 值，为后续深度处理做准备。 18 探·知识奥秘 二、空间站水循环系统方案设计 空间站水循环的实现方式 第二步：核心净化处理 这是水循环的关键环节，针对不同废水的特性，采用专属技术去除污染物，得到初级净水。 核心技术为蒸汽压缩蒸馏（VCD），这是太空尿液处理的主流方案：在微重力环境下，将预处理后的尿液加热蒸发，水蒸气经压缩机压缩升温后，在冷凝端重新凝结为液态水，尿素、盐分、大部分有机物等污染物被彻底分离，产出高纯度的初级蒸馏水。 冷凝水、生活废水等低污染废水，先经多级过滤，再通过反渗透膜处理。反渗透膜能截留细菌、病毒、重金属离子、小分子有机物等几乎所有有害杂质，过滤后得到符合基础标准的初级净水。 01 02 尿液处理主线 杂废水处理主线 19 探·知识奥秘 二、空间站水循环系统方案设计 空间站水循环的实现方式 第三步：深度精制与消毒 两条主线产出的初级净水汇合后，进入深度处理单元，进一步提升水质，达到饮用和使用标准。 通过离子交换树脂，去除水中残留的微量离子杂质，降低水的电导率，提升纯度。 利用催化氧化技术，分解水中难降解的微量有机物，消除异味和潜在有害物质。 采用紫外线消毒或银离子消毒，杀灭水中所有微生物、细菌和病毒，无二次污染，保障水质生物安全。 20 探·知识奥秘 二、空间站水循环系统方案设计 空间站水循环的实现方式 第四步：水质监测与循环复用 净化后的水会通过多维度传感器，实时监测电导率、pH 值、微生物含量、重金属浓度等关键指标，不合格的水会自动回流至净化单元重新处理。 合格的纯净水存入无菌储水罐，通过管路分配至各使用端：一部分供航天员饮用、烹饪、洗漱；另一部分输送至电解制氧系统，电解生成氧气（供航天员呼吸）和氢气，氢气还可与舱内二氧化碳反应，再次生成水，让水循环的闭环程度进一步提升。 01 02 21 探·知识奥秘 二、空间站水循环系统方案设计 反思与评价 水循环系统的核心价值与设计要点 高回收率 目前先进的空间站水回收系统，水的整体回收率可达95% 左右，极大减少了从地球运输水的成本和频次。 冗余设计 系统的核心组件均配备备份，避免单一故障导致水循环中断，同时空间站会储备一定量的应急用水，保障极端情况的安全。 微重力适配 所有处理技术均针对太空微重力环境优化，解决了地面常规水处理中依赖重力的沉淀、分层等问题，保证系统稳定运行。 22 探·知识奥秘 二、空间站水循环系统方案设计 总结反思 撰写实践活动报告，展示你的设计过程和修改后的设计方案，并分享你在本次活动中的收获和感受。 23 探·知识奥秘 二、空间站水循环系统方案设计 拓展阅读 自主攻坚护苍穹——再生生保系统研发与科技安全启示 我国再生生保系统的研发，是一场打破国际封锁、守护国家科技安全的艰辛远征。早年载人任务依赖地面补给氧气和水，无法支撑空间站长期驻留，而核心技术被美俄严密封锁，自主创新成为唯一出路。2005年，科研团队开启预研，一支平均年龄仅33岁的队伍，以“冲刺速度跑马拉松”的韧劲，踏上攻坚之路。 面对微重力水气分离、高效膜材料等世界级难题，团队无经验可循，仅膜材料就历经千次迭代、耗时9年攻克瓶颈，最终实现寿命提升10倍、重量降至1/4。疫情期间，团队放弃春节团圆，连夜排查部件爆裂等故障，确保正样按期交付。 如今该系统实现氧气100%、水资源80%再生，每年节省上行物资6吨。这场攻坚印证了自主创新是科技安全的核心底气，唯有掌握核心技术，才能摆脱外部依赖，为我国航天事业筑牢安全屏障，彰显中华民族自强不息的硬核实力。 24 核心任务 关键原理/方法 核心流程步骤 拓展意义 氧循环系统 1. 持续供给氧气 1. 氧气再生：电解水制氧 1. 再生水→电解→O₂（供呼吸）+ H₂ 1. 打破国际技术封锁，技术跻身世界前列 2. 航天员呼出CO₂ 2. 去除/转化CO₂ 2. 氧气100%再生，每年减少上行补给6吨 2. CO₂处理： - 短期：氢氧化锂吸收法 - 长期：萨巴蒂尔反应 3. CO₂+H₂→（萨巴蒂尔反应）→H₂O（再生）+ CH₄（排出） 3. 奠定深空探测基础 3. 实现氧闭环循环 4. 再生水重新电解，完成闭环 水循环系统 1. 回收各类废水 1. 废水分类收集预处理 1. 分源收集：尿液单独收集，其余废水合并收集，预处理去杂质 1. 水资源80%再生，降低发射成本 2. 保障长期驻留核心需求 2. 净化再生复用 2. 核心净化： - 尿液：蒸汽压缩蒸馏（VCD） - 杂废水：多级过滤+反渗透膜 2. 核心净化：尿液蒸馏/杂废水反渗透，获初级净水 3. 支撑氧循环原料供给 3. 深度处理：离子交换+催化氧化+消毒 3. 深度精制：除离子+消有机物+杀菌消毒 3. 践行资源循环环保理念 4. 实时水质监测 4. 监测复用：合格水供饮用/电解制氧 理·核心要点 1．天宫空间站再生生保系统含电解水制氧、二氧化碳去除等多个子系统。主要流程如图，下列说法错误的是（ ） A．电解制氧时，能量转化形式为电能转化为化学能 B．氧气生成系统中，生成氢气和氧气的质量比为1：8 C．流程中铁催化剂或镍催化剂在反应前后性质与质量均不发生改变 D．反应等质量的H2，Bosch法消耗的CO2质量是Sabatier法的2倍 析·典型范例 C 2．空间站的“再生生保系统”的主要流程如图。下列说法不正确的是（ ） A．理论上该系统能实现水的100%循环，无需补充水 B．萨巴蒂尔反应系统中，可以通过冷却将产生的水蒸气与甲烷分离 C．该系统有助于调节空间站内氧气和二氧化碳的含量 D．氧气生成系统中，生成氢气和氧气的质量比为1：8 析·典型范例 A THANKS! 谢谢观看 九年级化学全一册·鲁教版五四学制2024 Lavf58.46.101 $