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航天员的尿液去哪了?
科普中国 / 时间:2021-12-07 11:17:09

cnBeta.com12月4日讯:神舟十三号载人飞船发射成功,当大家仰望星空时,又多了一份对于航天员们的牵挂。同时,又对航天员在太空中的生活状态充满好奇。航天员在太空中的饮用水、生活用水从哪来?产生的污水又如何处理?今天大家就来聊一聊太空中的“水处理”。

在太空中,一个航天员每天生活的必备物资,包括空气、食物和水等,折合为有效载荷大概是15公斤。尽管目前太空运输技术不断进步,每公斤运输成本仍然在10000美金以上。这就意味着,能带上太空的物资非常有限,特别是水。对于长期在轨甚至未来探索火星等空间任务而言,将航天员在太空中产生的水和废物循环利用起来至关重要。

提到废水循环,可能第一时间想到的可能尿液。没错,尿液的回收和再利用不仅可以满足航天员们的饮水和卫生用水需求,还能制氧。

航天员的尿液如何处理,才能被重新利用?

首先,需要对尿液成分进行分析。尿液中的化学成分会因饮食、环境和体力活动而异,但除水以外的主要化学成分为尿素,其次是钾离子和钠离子。此外,航天员尿液中的钙离子含量较高,这是因为航天员处于失重状态,骨应力的变化会引起肾脏的适应性调整,肠道对钙的吸取减少,尿钙排泄便会增加。

一天之内产生的尿液不可能马上进行净化和使用,那么就需要对尿液进行存储。

随着尿液存储时间的延长,尿素会水解成氨气、铵根离子和二氧化碳。通过监测尿液pH值、电导率和渗透压的增加,可以判断尿素的水解程度,掌握其中化学组分的变化,进而有针对性地对尿液进行处理。

为了防止微生物生长和保持尿液化学稳定性,国际空间站上的尿液处理装置会使用特殊的物质来降低尿液的pH值及稳定尿液,以备存储到足够数量后进行后续处理净化。

Part.2  尿液净化按流程,回收利用有妙招

将尿液回收、净化需要经过一套复杂的工序,简单来说,让尿液经过蒸馏装置,将水蒸发分离出来,而后输送至颗粒过滤器和多次过滤系统去除无机物和非挥发性有机物,进一步在催化反应器中氧化低分子量的有机物,最后通过气液分离和离子交换装置,将其中的无机盐离子去除,并消除残留微生物,便可再次利用。

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尿液处理装置流程示意图

理想中,该系统的设计水回收率为85%,但许多限制因素使得实际效率低于设计水平。

限制因素之一便是航天员尿液中的钙离子含量较高,不仅对航天员的身体健康产生影响,也会使空间站使用的管道和设备的结垢堵塞风险增加。而且,为降低尿液pH值所采用的无机酸(H3PO4)会腐蚀蒸馏设备,从而降低系统的回收效率。

为了减轻上述的副作用,研究人员们开发出了许多应对方法。例如,用柠檬酸等有机酸替代H3PO4等无机酸,用季胺替代重金属离子抑制微生物生长,以及用生物硝化的方法降低pH值并将尿素转化为NH4+和NO3-。

研究人员也尝试探索“黑科技”处理太空用水。比如采用非热等离子体技术,可以在尿液表面放电,产生臭氧、过氧化氢、羟基自由基等活性氧化基团。它们在氧化尿液中的非挥发性有机物的同时,不产生有害副产物,而且可以有效灭火大肠杆菌等有害微生物。

Part.3  先进科技助力空间站废水处理

上面提到的净化废水方法,尽管已经逐渐成熟和完善,但流程仍然较为复杂,是否还有其他更简便的方法进行废水处理呢?研究人员将视角转向了其他方式——利用膜与通道蛋白。

膜,作为一种薄薄的物理屏障,经常用于水处理过程。膜上分布的大大小小的孔和通道,可以允许小于孔径的分子通过,而截留大尺寸的颗粒或分子,从而实现过滤、分离的效果。通过控制膜的物理化学性质,可以选择性地限制溶剂(液体和气体)和溶质(离子、生物分子、胶体、细胞和悬浮固体等)是否可以通过薄膜。

在用于空间站水处理的新型薄膜设计和制备上,自然界为研究人员贡献了优秀的方案——水通道蛋白。作为一种跨膜蛋白,水通道蛋白几乎存在于每一种生物中,是一种选择性渗透的水通道。将其稳定放置于聚合物囊泡中,就可以嵌入到传统的聚酰胺薄膜中,作为活性层,使水更容易通过薄膜,而将盐离子和有机化合物截留下来。

此外,使用氧化石墨烯制备的反向渗透膜,利用其他物质不能通过,而水分子可以通过的原理,将这些杂质和水分离开,可以实现吸附、截留、抗菌等多重功能。

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氧化石墨反向渗透膜截留颜料而使水通过

但是这些先进技术仍需不断验证和改进。因为太空环境与陆地不同,有些在陆地上已经熟练应用的技术,在太空中未必可靠。因此仍然需要基础科学的改进和探索,才能加快其早日实现应用。

Part.4  微生态生命支撑系统:太空生存的保障

一旦进入相对孤立的太空,资源便不像陆地上唾手可得。包括上文中提到的水,各类资源的循环再利用都非常重要。

如果在回收尿液中的水分的同时,可以将其中的氮、钾、钠等生命必须的元素转化为安全有效的肥料,就可以在空间站或栖息地上用水培法种植蔬菜等可食用的植物。

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绿色蔬菜正在太空中生长(图片来源:NASA中文网)

2014年4月发射的SpaceX太空舱向国际空间站发送了一个生长箱,包括LED照明、排风、冷却系统等设备,用于蔬菜种植的测试。这种被称为Veggie的植物生长箱或许能为航天员们的食谱增添营养和心理慰藉,同时可用于失重环境中植物生长的研究。

自1987年,欧洲航天局提出了在空间站部署生物再生式生命保障系统的计划,如微生态生命支撑系统方案(Micro-Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA))。其核心理念是开发一种生物系统,将废物封闭在资源循环中,即将人类的排泄物和二氧化碳等转化为食物、水、氧气,从而使人类能够长期实行太空飞行任务。

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微生态生命支撑系统示意图

为长期太空飞行任务提供可靠的生命支撑是探索宇宙的必修课。因此无论是先进技术还是基础科学,都须不断验证。尽管任重道远,但人类探索宇宙星河的脚步从未停歇。

大家的征途是星辰大海,在此之前,大家要做的准备还有很多。


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