如何解決宇航員的尷尬問題?

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Image caption 珍妮弗·普魯特的工作意味著宇航員尿液中有更多的水能夠被再次飲用。(圖片來源:理查德·胡裏漢)

珍妮弗·普魯特(Jennifer Pruitt)的職位可能是美國航空航天局(NASA),甚至是全球航天工業中最有意思的一個,她是尿液處理首席工程師。

「這一頭銜是我喜歡這個工作的其中一個原因,」她自豪地說道,「世界上並沒有很多人從事這項技術。」

普魯特在馬歇爾太空飛行中心(Marshall Space Flight Center)工作,負責國際空間站的水回收系統。這一中心位於阿拉巴馬州(Alabama)的亨茨維爾市(Huntsville)。她的目標是設計出最高效的方式來從宇航員的尿液中提取出飲用水。

尿液中含有大約95%的水(其餘部分由人體廢棄的化學物質構成),因此如果從兩個國際空間站的廁所中可以循環使用更多的水,那麼從地球上以昂貴成本攜帶飲用水到空間站的量就會少很多。

普魯特實驗室外的接待區裏布置著一個小小的關於尿液的展覽。裝著尿液的廣口瓶依次在架子上排列展示:從無比正常的淺黃色,到棕色,再到令人不安的黑色。

複雜的處理過程

令人不安的是,貼有「美國預處理尿液」標籤的廣口瓶中的尿液要比貼有俄羅斯標籤的顏色淺得多。

這說明了俄羅斯尿液的什麼問題呢?

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Image caption (圖片來源:Science Photo Library)

「俄羅斯人沒有問題,」普魯特向我們保證道,「他們就像其他人一樣撒尿。」事實上,那些黑墨水般的液體不是單純的俄羅斯宇航員的尿液,而是已經加進了處理程序中所需要用到的一些成分。

「當宇航員使用衛生間時,我們不能聽憑尿液自己進入系統中,」普魯特解釋道,「我們必須在其中加入額外的外學物質,來阻止尿液的分解,並防止細菌滋生。」

這一預處理步驟只是美國航空航天局開發的空間站廁所水回收系統複雜流程的第一步。回收的飲用水除了從尿液回收的之外,還包括了從國際空間站空氣中過濾出來的水分,其中大部分是宇航員的汗水。據美國航空航天局估計,平均每位宇航員在長達一年的任務中需要喝下730升回收自尿液和汗水的水。

「鹽粒」的破壞

但美國航空航天局也遇上了麻煩。

儘管對汗水的回收工作運營良好,絕大部分的汗水都順利轉變成了飲用水,尿液回收系統卻表現得不如預期。在地球上的實驗室中,它的運行效率大約在85%左右,僅僅損失15%的水。但在國際空間站的運行軌道上,只有75%的水被回收。

「在太空中,鈣質會從宇航員的骨骼中析出,而我們之前沒有意識到這些鈣質會去哪裏,」普魯特說到,「我們後來發現許多鈣質都排放到尿液中了。」

這意味著太空中的宇航員的尿液和工程師們在地面上研究的尿液擁有不同的化學成分。

「我們發現,由於那些以前沒預期到的鈣質,尿液會同預處理過程中的化學物質發生反應,生成硫酸鈣,」普魯特解釋道,「一簇簇大顆的鹽粒會堵住系統——基本會讓它停止工作。」

你可以想像和其他五個人一起被困在一個距離地球400公里(250英里)的金屬盒子中,並且還沒有能用的廁所是多麼恐怖的一件事。因為廁所被堵,國際空間站的宇航員不得不花費更多的時間來維護設備,而相比原計劃,地球方面也不得不運送更多的水來。

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Image caption 改進這項技術意味著昂貴的補給任務可以攜帶更少的水上天。(圖片來源:Science Photo Library)

但普魯特的團隊已經想到了解決方法。通過改變尿液預處理步驟中的化學成分,他們希望能夠讓國際空間站中的尿液回收系統變得更有效率。

為了測試最新化學調和物,普魯特在馬歇爾中心廣闊的飛機停機棚中搭建了尿液處理器的複製品,在一張桌子上依次鋪開。這個飛機停機棚是美國航空航天局用來設計和檢測它的生命維持系統的。一幅懸掛在屋頂大樑上橫幅告訴參觀者,這一實驗室「從1973年起就維持宇航員生命」。

壓力與蒸餾

作為在國際空間站的尿液處理器的複製品,這一被拆解的複製品由一大團令人眼花繚亂的管道、水泵和電線構成,它們和一大罐尿液相連。這些尿液已經完成了預處理步驟,所以看上就像一聽巨型可樂。伴隨著機器的運作聲,普魯特告訴我這一處理器是怎麼工作的。

「我們把所有的東西都水平放置,由此重力帶來的影響可以忽略不計,」她解釋道。「這個水泵採用和人類的食道同樣的工作原理,壓縮並推動在它周圍的液體。」我們看到沿著一根透明的管道,尿液被擠壓前行,通往系統中最大的一個圓缸,它和一個家用烤箱一般大小。這個容易連接著一根真空泵,可以抽出空氣來減輕內部壓力。通過降壓,液體的沸點也同樣降低了。這意味著不需要提供任何熱量,水就可以被分離。

蒸餾後殘餘的液體還將被系統再度循環以提取最大數量的水分。加工過程的最終產物是一團濃縮的含鹽沉澱物和純淨的飲用水。在太空,廢料將被裝進一艘冗餘的補給艦,在返回地球的過程中在大氣層中燃燒殆盡。水已經可以喝了。

「這是最乾淨的水,」普魯特說道,「比我們在地球上喝到的任何水都乾淨。」

不過,在宇航員啜飲這些超級乾淨的水之前,它們還要被進一步加工來防止細菌滋生。這一過程包括添加碘,這使得國際空間站的水帶有淡淡的藥味。

「這沒什麼,」普魯特說道,「習慣就好。」

再證明新的預處理配方不會造成任何堵塞後,美國航空航天局的工程師們將會在接下來的幾個月中推出改良後的尿液飲用水回收系統。人們希望它在太空中回收水的效率將能大幅上升至在地球上的實驗室中的水平。

與此同時,普魯特的團隊正在研發新的技術以讓處理過程更為高效。

「雖然和尿液打了好幾年交道,」她說,「這工作還是那麼的有趣!」

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(責編:友義)

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