[科普中國(guó)]-重口警告！航天員的尿液去哪了？

神舟十三號(hào)載人飛船發(fā)射成功，當(dāng)我們仰望星空時(shí)，又多了一份對(duì)于航天員們的牽掛。同時(shí)，又對(duì)航天員在太空中的生活狀態(tài)充滿好奇。

航天員在太空中的飲用水、生活用水從哪來(lái)？產(chǎn)生的污水又如何處理？今天我們就來(lái)聊一聊太空中的“水處理”。

地上的“廢水”，太空的“寶物”

在太空中，一個(gè)航天員每天生活的必備物資，包括空氣、食物和水等，折合為有效載荷大概是15公斤。盡管目前太空運(yùn)輸技術(shù)不斷進(jìn)步，每公斤運(yùn)輸成本仍然在10000美元以上。這就意味著，能帶上太空的物資非常有限，特別是水。對(duì)于長(zhǎng)期在軌甚至未來(lái)探索火星等空間任務(wù)而言，將航天員在太空中產(chǎn)生的水和廢物循環(huán)利用起來(lái)至關(guān)重要。

提到廢水循環(huán)，可能第一時(shí)間想到的可能尿液。沒(méi)錯(cuò)，尿液的回收和再利用不僅可以滿足航天員們的飲水和衛(wèi)生用水需求，還能制氧。

航天員的尿液如何處理，才能被重新利用？

**首先，需要對(duì)尿液成分進(jìn)行分析。**尿液中的化學(xué)成分會(huì)因飲食、環(huán)境和體力活動(dòng)而異，但除水以外的主要化學(xué)成分為尿素，其次是鉀離子和鈉離子。此外，航天員尿液中的鈣離子含量較高，這是因?yàn)楹教靻T處于失重狀態(tài)，骨應(yīng)力的變化會(huì)引起腎臟的適應(yīng)性調(diào)整，腸道對(duì)鈣的吸收減少，尿鈣排泄便會(huì)增加。

尿液是空間站水回收利用的原料（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

一天之內(nèi)產(chǎn)生的尿液不可能立即進(jìn)行凈化和使用，那么就需要對(duì)尿液進(jìn)行存儲(chǔ)。

隨著尿液存儲(chǔ)時(shí)間的延長(zhǎng)，尿素會(huì)水解成氨氣、銨根離子和二氧化碳。通過(guò)監(jiān)測(cè)尿液pH值、電導(dǎo)率和滲透壓的增加，可以判斷尿素的水解程度，掌握其中化學(xué)組分的變化，進(jìn)而有針對(duì)性地對(duì)尿液進(jìn)行處理。

為了防止微生物生長(zhǎng)和保持尿液化學(xué)穩(wěn)定性，國(guó)際空間站上的尿液處理裝置會(huì)使用特殊的物質(zhì)來(lái)降低尿液的pH值及穩(wěn)定尿液，以備存儲(chǔ)到足夠數(shù)量后進(jìn)行后續(xù)處理凈化。

尿液凈化按流程，回收利用有妙招

將尿液回收、凈化需要經(jīng)過(guò)一套復(fù)雜的工序，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，讓尿液經(jīng)過(guò)蒸餾裝置，將水蒸發(fā)分離出來(lái)，而后輸送至顆粒過(guò)濾器和多次過(guò)濾系統(tǒng)去除無(wú)機(jī)物和非揮發(fā)性有機(jī)物，進(jìn)一步在催化反應(yīng)器中氧化低分子量的有機(jī)物，最后通過(guò)氣液分離和離子交換裝置，將其中的無(wú)機(jī)鹽離子去除，并消除殘留微生物，便可再次利用。

尿液處理裝置流程示意圖（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)5）

理想中，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水回收率為85%，但許多限制因素使得實(shí)際效率低于設(shè)計(jì)水平。

限制因素之一便是航天員尿液中的鈣離子含量較高，不僅對(duì)航天員的身體健康產(chǎn)生影響，也會(huì)使空間站使用的管道和設(shè)備的結(jié)垢堵塞風(fēng)險(xiǎn)增加。而且，為降低尿液pH值所采用的無(wú)機(jī)酸（H3PO4）會(huì)腐蝕蒸餾設(shè)備，從而降低系統(tǒng)的回收效率。

為了減輕上述的副作用，研究人員們開發(fā)出了許多應(yīng)對(duì)方法。例如，用檸檬酸等有機(jī)酸替代H3PO4等無(wú)機(jī)酸，用季胺替代重金屬離子抑制微生物生長(zhǎng)，以及用生物硝化的方法降低pH值并將尿素轉(zhuǎn)化為NH4+和NO3-。

**研究人員也嘗試探索“黑科技”處理太空用水。**比如采用非熱等離子體技術(shù)，可以在尿液表面放電，產(chǎn)生臭氧、過(guò)氧化氫、羥基自由基等活性氧化基團(tuán)。它們?cè)谘趸蛞褐械姆菗]發(fā)性有機(jī)物的同時(shí)，不產(chǎn)生有害副產(chǎn)物，而且可以有效滅火大腸桿菌等有害微生物。

先進(jìn)科技助力空間站廢水處理

上面提到的凈化廢水方法，盡管已經(jīng)逐漸成熟和完善，但流程仍然較為復(fù)雜，是否還有其他更簡(jiǎn)便的方法進(jìn)行廢水處理呢？研究人員將視角轉(zhuǎn)向了其他方式——利用膜與通道蛋白。

**膜，作為一種薄薄的物理屏障，經(jīng)常用于水處理過(guò)程。**膜上分布的大大小小的孔和通道，可以允許小于孔徑的分子通過(guò)，而截留大尺寸的顆?；蚍肿樱瑥亩鴮?shí)現(xiàn)過(guò)濾、分離的效果。通過(guò)控制膜的物理化學(xué)性質(zhì)，可以選擇性地限制溶劑（液體和氣體）和溶質(zhì)（離子、生物分子、膠體、細(xì)胞和懸浮固體等）是否可以通過(guò)薄膜。

**在用于空間站水處理的新型薄膜設(shè)計(jì)和制備上，自然界為研究人員貢獻(xiàn)了優(yōu)秀的方案——水通道蛋白。**作為一種跨膜蛋白，水通道蛋白幾乎存在于每一種生物中，是一種選擇性滲透的水通道。將其穩(wěn)定放置于聚合物囊泡中，就可以嵌入到傳統(tǒng)的聚酰胺薄膜中，作為活性層，使水更容易通過(guò)薄膜，而將鹽離子和有機(jī)化合物截留下來(lái)。

此外，使用氧化石墨烯制備的反向滲透膜，利用其他物質(zhì)不能通過(guò)，而水分子可以通過(guò)的原理，將這些雜質(zhì)和水分離開，可以實(shí)現(xiàn)吸附、截留、抗菌等多重功能。

氧化石墨反向滲透膜截留顏料而使水通過(guò)（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)6）

**但是這些先進(jìn)技術(shù)仍需不斷驗(yàn)證和改進(jìn)。**因?yàn)樘窄h(huán)境與陸地不同，有些在陸地上已經(jīng)熟練應(yīng)用的技術(shù)，在太空中未必可靠。因此仍然需要基礎(chǔ)科學(xué)的改進(jìn)和探索，才能加快其早日實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

微生態(tài)生命支持系統(tǒng)：太空生存的保障

一旦進(jìn)入相對(duì)孤立的太空，資源便不像陸地上唾手可得。包括上文中提到的水，各類資源的循環(huán)再利用都非常重要。

如果在回收尿液中的水分的同時(shí)，可以將其中的氮、鉀、鈉等生命必須的元素轉(zhuǎn)化為安全有效的肥料，就可以在空間站或棲息地上用水培法種植蔬菜等可食用的植物。

綠色蔬菜正在太空中生長(zhǎng)（圖片來(lái)源：NASA中文網(wǎng)）

2014年4月發(fā)射的SpaceX太空艙向國(guó)際空間站發(fā)送了一個(gè)生長(zhǎng)箱，包括LED照明、排風(fēng)、冷卻系統(tǒng)等設(shè)備，用于蔬菜種植的測(cè)試。這種被稱為Veggie的植物生長(zhǎng)箱或許能為航天員們的食譜增添營(yíng)養(yǎng)和心理慰藉，同時(shí)可用于失重環(huán)境中植物生長(zhǎng)的研究。

自1987年，歐洲航天局提出了在空間站部署生物再生式生命保障系統(tǒng)的計(jì)劃，如微生態(tài)生命支持系統(tǒng)方案（Micro-Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA)）。其核心理念是開發(fā)一種生物系統(tǒng)，將廢物封閉在資源循環(huán)中，即將人類的排泄物和二氧化碳等轉(zhuǎn)化為食物、水、氧氣，從而使人類能夠長(zhǎng)期執(zhí)行太空飛行任務(wù)。

微生態(tài)生命支持系統(tǒng)示意圖（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)7）

為長(zhǎng)期太空飛行任務(wù)提供可靠的生命支持是探索宇宙的必修課。因此無(wú)論是先進(jìn)技術(shù)還是基礎(chǔ)科學(xué)，都須不斷驗(yàn)證。盡管任重道遠(yuǎn)，但人類探索宇宙星河的腳步從未停歇。

我們的征途是星辰大海，在此之前，我們要做的準(zhǔn)備還有很多。

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