[科普中國(guó)]-NASA竟想讓宇航員在太空吃大便

享受完大自然的召喚后，輕輕按動(dòng)馬桶按鈕，繼而神清氣爽的回到正常的工作生活中——這是大多數(shù)人完成五谷輪回工作的流程。樓宇的上下水系統(tǒng)和城市的排水與污水處理系統(tǒng)，則會(huì)將我們排出的廢棄物進(jìn)行處理后交還給自然。然而，在太空之中，地面上司空見慣的一切都會(huì)變得相當(dāng)復(fù)雜，上廁所也不例外。

日前，有“好事”的科學(xué)家，打起了變廢為寶的主意，竟然希望宇航員排出去的東西經(jīng)過加工后，能夠重新回到宇航員的嘴中。當(dāng)然，科學(xué)家們并非是要讓宇航員們直接吃便便。使大便變廢為寶的，正是讓我們又愛又恨的細(xì)菌微生物。

一趟食物短缺的遠(yuǎn)門

目前，唯一能支持宇航員在太空中長(zhǎng)時(shí)間駐留的航天器是國(guó)際空間站。在那里，貨運(yùn)飛船會(huì)定期造訪，運(yùn)來所需要的補(bǔ)給。但除了美國(guó)SpaceX的貨運(yùn)型龍飛船之外，其他的幾種貨運(yùn)飛船都沒有較強(qiáng)的下行運(yùn)載能力，飛船在送完貨返回地面的過程中，會(huì)直接在大氣層中焚毀。不過實(shí)際上，這些貨運(yùn)飛船也不是空手而歸——宇航員們會(huì)將他們的便便打包放進(jìn)貨運(yùn)飛船中，與飛船一同化作天際中的流星。在打包前，便便會(huì)經(jīng)過酸性與強(qiáng)氧化性物質(zhì)的穩(wěn)定處理，還會(huì)被烘干。雖然便便在被拋棄前，要經(jīng)歷相對(duì)復(fù)雜的處理過程，但國(guó)際空間站并沒有將便便變廢為寶的裝置。畢竟地球近在咫尺，新的補(bǔ)給能夠源源不斷的由地面送來。

國(guó)際空間站上的廁所。（圖片來源：NASA）

然而，如果你想離開近地軌道，往火星甚至更遠(yuǎn)的地方進(jìn)發(fā)，食物供給就會(huì)成為一個(gè)問題。通過轉(zhuǎn)移軌道去往火星的飛行大概需要將近9個(gè)月的時(shí)間。對(duì)于最初登陸火星的宇航員，到達(dá)火星之后并沒有“宇宙盡頭的餐館”能為他們接風(fēng)洗塵。在一片荒蕪的世界中，他們要依靠從地球帶來的補(bǔ)給在火星表面生活，還要依靠這些補(bǔ)給完成為期同樣為將近9個(gè)月的回程。由于技術(shù)條件或是經(jīng)費(fèi)的限制，在這個(gè)漫漫旅程中，他們可能很難得到來自地球的二次補(bǔ)給。

可能你會(huì)說，讓飛船多攜帶一些給養(yǎng)不就可以了嗎？然而對(duì)于現(xiàn)在的航天運(yùn)載能力來說，即便是目前地表最強(qiáng)的獵鷹重型火箭，也只能在理論上將16.8噸的載荷送到火星軌道。這可用的運(yùn)載能力被飛船的各種設(shè)備和宇航員本身消耗的七七八八后，能夠搭載食品的重量也就非常有限了。

于是，對(duì)物質(zhì)進(jìn)行循環(huán)利用，在太空飛行中產(chǎn)生食品。就變得相當(dāng)有必要了。除了去往火星，未來當(dāng)人類飛的更遠(yuǎn)，去往太陽系邊緣甚至飛出太陽系時(shí)，這項(xiàng)工作的重要性也許會(huì)變得更高。

讓細(xì)菌來幫忙

在目前的解決方案中，有不少科學(xué)家和技術(shù)人員提出在太空中種植植物。這種方案發(fā)展的相對(duì)成熟，我國(guó)的天宮二號(hào)就曾經(jīng)進(jìn)行過太空種菜的試驗(yàn)。但植物提供的蛋白質(zhì)和脂肪相對(duì)有限，不能支撐一個(gè)比較合理的膳食結(jié)構(gòu)。為了產(chǎn)生蛋白質(zhì)更為富集的食品，科學(xué)家們盯上了人類的便便。畢竟，那里面含有大量的氮元素和碳元素，理論上具備合成蛋白質(zhì)食物的可能。

當(dāng)然，如果你讓宇航員直接在太空吃便便，不但起不到補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)的作用，還會(huì)讓普羅大眾不會(huì)再把宇航員當(dāng)做夢(mèng)想中的職業(yè)。

在NASA資助美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的科研人員完成的一項(xiàng)研究中，科學(xué)家們找到了與人類相愛相殺的細(xì)菌來完成變糞為寶的工作。他們制作了一個(gè)管樁的實(shí)驗(yàn)裝置，將與人類糞便化學(xué)性質(zhì)類似的實(shí)驗(yàn)替代品（誰都不想實(shí)驗(yàn)室臭氣熏天）裝入裝置之中，同時(shí)還放進(jìn)去了兩種細(xì)菌。**這兩種細(xì)菌，一種負(fù)責(zé)通過厭氧消化過程，從糞便中產(chǎn)生甲烷和含氮?dú)怏w，而另一種則以這兩種氣體為食物，進(jìn)一步產(chǎn)生蛋白質(zhì)和脂肪。**最終，宇航員們食用的就是這些細(xì)菌所生產(chǎn)的食物。在目前的實(shí)驗(yàn)中，這種食物的性狀看起來像是龜苓膏或是魔芋塊，口感應(yīng)該不會(huì)太差。這種食物里含有52%的蛋白質(zhì)和36%的脂肪，看起來營(yíng)養(yǎng)比例也不錯(cuò)。

吃細(xì)菌并不是什么大不了的事情，酸奶愛好者們每天都將大量承擔(dān)發(fā)酵工作的細(xì)菌攝入體內(nèi)。未來可能供宇航員們食用的細(xì)菌食物，目前也廣泛被運(yùn)用于畜牧業(yè)的飼料中，具備基本的安全性。同時(shí)，科學(xué)家們?yōu)榱颂峁└影踩氖澄锷L(zhǎng)環(huán)境，還嘗試了在一般微生物難以耐受的環(huán)境下使用特別的微生物來生產(chǎn)食物。例如，他們將實(shí)驗(yàn)裝置的溫度提高到了70攝氏度。在這樣的溫度下，一般的微生物都會(huì)被殺死，但科學(xué)家們選擇的棲熱水生菌，不但能在這種環(huán)境下愉快的生活，還能生產(chǎn)出對(duì)于胖子更加友好的食物——蛋白質(zhì)含量被提高到了61%，而脂肪含量下降到了16%。不過，由于運(yùn)輸胖子宇航員會(huì)多消耗一些運(yùn)載能力，在全世界人民沒有普遍發(fā)胖的情況下，胖子上天的希望似乎不大。

不過，目前還沒有實(shí)質(zhì)性的載人登陸火星計(jì)劃進(jìn)入實(shí)施階段，這項(xiàng)研究的目的也是為未來的可能應(yīng)用儲(chǔ)備技術(shù)。因此，宇航員們暫時(shí)不用擔(dān)心自己的食譜里出現(xiàn)便便蛋白質(zhì)醬這個(gè)選項(xiàng)了。

肥水不流外人田

實(shí)際上，在國(guó)際空間站工作過的宇航員，可能稍微進(jìn)行一些心理建設(shè)后，就能接受糞便產(chǎn)生的食物，因?yàn)樗麄円呀?jīng)在太空中暢飲了很久尿液產(chǎn)生的飲水。

肯尼迪航天中心的工作人員正在向媒體展示即將運(yùn)往國(guó)際空間站的水循環(huán)系統(tǒng)。（圖片來源：NASA）

2008年，在航天飛機(jī)還未退役的年代，奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)將一套價(jià)值2.5億美元的水循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)抵國(guó)際空間站。這套系統(tǒng)的功能是收集宇航員們的排出的尿液、蒸發(fā)到空氣中的汗液和呼出到空氣中的水蒸氣，經(jīng)過凈化處理后生成可飲用的水。在測(cè)試了一段時(shí)間后，系統(tǒng)產(chǎn)生的飲用水樣本被發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)運(yùn)回地面。經(jīng)過檢測(cè)，NASA認(rèn)為系統(tǒng)的工作狀況是令人滿意的，產(chǎn)生的飲用水可以安全使用。自那之后，宇航員們就開始將自己排出體外的水又喝回來，真真是肥水不流外人田。

國(guó)際空間站宇航員正在快樂的飲用由尿液凈化得到的純凈水。

（圖片來源：NASA）

除此之外，糞便還有別的潛在用處。修沼氣池，從人和牲畜的糞便中產(chǎn)生甲烷燃料，是中國(guó)農(nóng)村地區(qū)一種綠色的能源來源。而在NASA支持的另一項(xiàng)研究中，美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)的研究人員研究了**利用宇航員糞便產(chǎn)生甲烷，進(jìn)而將甲烷用作飛船燃料的可能性。**這項(xiàng)研究希望未來月球表面建成長(zhǎng)期有人駐留的基地后，月球沼氣池產(chǎn)生的沼氣可以為宇航員們駕駛飛船返回地球提供足夠的東西。這樣，他們?cè)诔霭l(fā)時(shí)加夠去程的“油”就可以了，回程的“油”則由自己的消化道與各種微生物攜手產(chǎn)生。通過實(shí)驗(yàn)，研究人員們發(fā)現(xiàn)通過人類排泄物不但能夠產(chǎn)生甲烷，順便還能產(chǎn)生不少水。當(dāng)然，研究人員們并不打算把這種水再灌進(jìn)宇航員嘴里，而是計(jì)劃通過電解產(chǎn)生氫氣和氧氣，作為后備的氣體來源。

參考內(nèi)容：

https://news.ufl.edu/archive/2014/11/process-converts-human-waste-into-rocket-fuel.html

https://news.psu.edu/story/502406/2018/01/25/microbes-may-help-astronauts-transform-human-waste-food

https://www.popsci.com/astronaut-poop-microbe-food/