一个价值1.5亿元的马桶!详解NASA新一代太空“通用废物管理系统”

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一个价值1.5亿元的马桶!详解NASA新一代太空“通用废物管理系统”
麻省理工科技评论 2020-10-04

2020-10-04

价值 2300 万美元(约 1.5 亿元人民币)、3D 打印钛金属零件、男女通用
航空航天 科学
价值 2300 万美元(约 1.5 亿元人民币)、3D 打印钛金属零件、男女通用

价值 2300 万美元(约 1.5 亿元人民币)、3D 打印钛金属零件、男女通用,这些标签属于国际空间站即将装配的高科技产品:新一代太空马桶。

美国东部时间 10 月 2 日晚上 9:16,美国航空航天局(NASA)商业货运提供商诺斯罗普 · 格鲁曼公司(Northrop Grumman)向国际空间站发射补给任务,执行本次任务的天鹅座货运飞船载有约 3.6 吨的科研物资、机组人员补给和相关设备,其中最值得关注的任务之一,就是把这样一台 “史上最贵” 的太空马桶送到空间站,让宇航员们展开测试。

这套马桶的官方称呼,其实叫做通用废物管理系统(UWMS),它重 45 公斤,高 71 厘米,大约是目前空间站所使用俄制马桶的一半,此外,旧马桶更适合男性,而新马桶的设计也更多考虑到了女性航天员的需求。

NASA 方面表示,这只是升级的一部分,在国际空间站上安装的新马桶不仅能使空间站宇航员们的生活变得更好、更高效,该系统还将装配在新的猎户座飞船上进行测试,这是阿耳忒弥斯登月计划乃至火星登陆计划的一部分,新马桶将更适合在未来的深空探测任务中使用。

图|新一代太空马桶:通用废物管理系统 (来源:NASA)

暗藏黑科技,能让尿变水

宇航员们如何在太空中使用卫生间?这是人类步入太空时代以来的老问题。

由于重力缺失,人类最基本的排泄过程变得极具挑战性。而随着下一次 SpaceX 的载人飞行,空间站的人口将从 6 人增加到 7 人,商业载人航天也呈现出常态化趋势,太空马桶的使用频次随之增高,宇航员们在太空计划中通常要执行数十天乃至数月的任务,如厕问题是刚需中的刚需。

那么太空马桶是怎么工作的呢?冲水当然是不可能的,在没有重力的情况下,太空马桶利用的是强劲气流吸力,将尿液和粪便从身体中抽离并吸入适当的容器中保存处理,防止满天“飞翔”。

UWMS 开发的一个新功能是打开马桶盖时自启动吸力气流,这还有助于马桶气味控制。根据宇航员们的调研需求,它拥有一个更符合人体工程学的设计,减少了清理和维护时间,与目前的空间站马桶相比,它的体积小了 65%,重量轻了 40%,装配由柯林斯航空航天公司开发的 3D 打印钛金属双风扇分离器,产生强大的气流代替重力,将宇航员的尿液和粪便吸进马桶,同时新材料足以抵抗尿液预处理中所有的酸性物质,大幅提升马桶的耐腐蚀和耐用性,减少在预定计划之外进行维护的成本。

图|科研人员展示导尿软管(来源:NASA)

宇航员可使用特殊形状的漏斗和软管吸尿,漏斗可以方便地进行更换或取出进行消毒,并能使用坐便器进行排便。漏斗和坐便器可以同时使用,这满足了很多女航天员的需求,UWMS 的坐便器看起来口径很小,但在微重力条件下非常理想,它提供了理想的身体接触面,以确保一切尽在掌控之中。

由于每个人在如厕时的姿势都不一样,宇航员的一致反馈表明传统的大腿绑带很麻烦,UWMS 配套设施还包括了脚约束和把手装置,供宇航员使用,以防身体漂浮,另外,卫生纸、湿巾和手套会被收集到防水袋中集中处理。

花在如厕上的时间越少,宇航员们就有更多的时间集中在科研和其他高度优先的太空任务上。

图|新型太空马桶的设计构造(来源:NASA)

最高大上的改进是,UWMS 集成了最先进的尿液回收功能。是的,宇航员的尿液排出后,经过这个马桶过滤和处理,可以变为水。

美国宇航员杰西卡 · 梅尔(Jessica Meir)解释说:“我们回收了空间站 90% 的水基液体,包括尿液和汗液。我们试图在空间站上做的是模拟地球自然水循环的元素,最大化回收水资源。说到我们在国际空间站的尿液,今天的‘咖啡’或许就是明天的咖啡!”

UWMS 的核心设计理念是可以很容易地集成到不同的航天器和生命支持系统中,在宇航员长时间生活和工作的太空舱平台上,UWMS 装有尿液预处理剂量泵 / 预处理质量指示装置,能把经过预处理的尿液送入再生系统,回收水分供进一步使用。

其中应用到的一项黑科技为氨的电化学氧化技术,能将人类尿液中的尿素转化为氨,氨是由氮和氢组成的小分子,氧化反应则可以分解这些分子,氨氧化可用于太空中生产氮气、水和能量,是未来长期太空任务的关键需求。

空间站上的再生生命支持系统至关重要,它可以大大减少从地球上发射补给水的需求。未来的登月任务需要搭建月球基地,并长时间停留,而往返火星的任务则需要大约两年时间,而且几乎没有机会补充水源。UWMS 的设计目标是在人类首次登上火星执行任务之前达到 98% 的回收率,空间站是目前唯一一个验证长期生命支持和回收系统的太空试验地点。

图|新型太空马桶在约翰逊航天中心进行相关测试(来源:NASA)

NASA 官方表示,在太空中,水循环的每一部分都是生存的关键,而技术的进步可以对任务的效率和成功产生关键性的影响。当我们准备让人类与阿耳特弥斯计划一起重返月球,并期待人类首次登陆火星之际,生命支持系统将在保持宇航员健康和安全方面发挥重要作用,因为他们生活、工作和学习的距离比以往任何时候都要远。

目前,固体废物保存在单独的水密袋中,然后被压缩在一个可移动的粪便储存罐里,少量的粪便压缩样本会被送回地球进行评估研究,大多数压缩便便,则在返回地球大气层时燃烧殆尽,UWMS 系统针对粪便排泄物尚没有深度处理功能,但美国宇航局正在研究这一能力。

现在国际空间站上美国太空仓的厕所还是 1990 年代设计的,这种全新的 UWMS 系统将替换掉已经近 30 年的老太空马桶型号,直到空间站使用寿命结束,期间将不断收集性能和可靠性数据,为进一步改进做参考。

图|工作人员测试验收 UWMS 系统(来源:NASA)

未来太空厕所的新样版

UWMS 太空马桶主要由 AES LR 项目提供资金,这是 NASA 先进勘探系统(AES)物流减少(LR)项目的子任务之一,其目标是开发一个紧凑的厕所系统,该系统未来可用于多种外太空飞行器和栖息地。

UWMS 的集成和国际空间站项目规划始于 2015 年,并同步与国际空间站有效载荷办公室和猎户座计划深入合作,研发优化持续到 2020 年初,这么贵的马桶其实不只一台。

要在空间站上投入使用的是 UWMS 1 号;而 UWMS 2 号将被开发安装在猎户座飞船上参与登月任务,该飞船可以承载 4 名宇航员,是人类重返月球,并接着征服火星的关键航天器,UWMS 团队还将与猎户座计划的宇航服(LEA)团队合作,开发应急尿液和粪便废物收集系统,如果 UWMS 发生故障,则可以使用 LEA 应急系统收集排泄物。

两套 UWMS 装置的计划均已完成。UWMS 1 号于 2019 年 6 月交付,预计 2020 年底正式投入使用;2019 年 12 月,UWMS 2 号也已交付,相关测试也会在 2020 年晚些时候进行。就目前来看,UWMS 的交付、集成和测试计划都在如期推进。

图|NASA 的 “月球厕所挑战赛” 宣传图(来源:NASA)

对于太空马桶的研究,NASA 还在通过资金赞助的方式寻求更多民间创意力量。2020 年 6 月份,NASA 启动了一项 “月球厕所挑战赛” 活动,其锦标赛实验室与一家名为 HeroX 的初创公司合作,组织了太空马桶设计 “众包” 活动。

NASA 呼吁国际社会提出更多紧凑轻便型马桶的新颖设计理念,寻找一种更小、更高效且能够在微重力和月球重力下工作的下一代设备。

到 2024 年重返月球是一个雄心勃勃的目标,“月球厕所挑战赛”旨在激发国际社会的想法,号召不同领域的太空探索者、工程师和科学家们,以不同于传统航空工程的思维方式来解决问题,总奖金为 3.5 万美元,将在提交 “技术” 类别中前三名设计的团队之间共享。

新一代太空马桶的设计应节水,并有助于保持着陆器内的环境没有异味和其他污染物。完整的解决方案将能够为两名宇航员提供至少 14 天的支持,同时控制气味,容纳不同类型的废物(如尿液、粪便、呕吐物、腹泻、月经等)和不同性别的使用者(男女),尽管收集呕吐物的首选方法是呕吐袋,但是可以收集呕吐物且无需机组人员将头 “埋在” 厕所的设计将获得加分。

还有更多规格和性能设计细节要求,比如:

* 占用空间不大于 0.12 平方米;

* 消耗不到 70 瓦的功率;

* 低于 60 分贝的噪音水平控制;

* 可承受 58 至 77 英寸高,107 至 290 磅体重的用户;

* 可同时排尿和排便;

* 每次使用可收集 1 升尿液,保障每位乘员每天平均使用 6 次;

* 每次排便可容纳 500 克粪便,保障每位船员每天平均使用 2 次;

* 稳定排泄物,避免产生异味和微粒;

* 方便乘员使用厕所卫生用品,例如厕纸,湿巾和手套;

* 两次清洁之间的间隔时间为 5 分钟或更短,便于清洁和维护;

此外,马桶将在标称航天器环境中运行,气压为 14.7 psia 或 8.2 psia,但其存储系统在舱外可能会遇到 0 psia(真空)的运行环境,在厕所系统出现故障的情况下,太空马桶系统的设计要确保收集的所有废料均安全保存,机组人员没有暴露于尿液、粪便或其他废物、气体以及真空之下,各项指标要求十分精确且严苛。

图|太空马桶的关键组成部件(来源:NASA)

NASA 的“太空马桶自由”

新型太空马桶 UWMS 系统的交付,对于美国载人航天来讲算是一个不小的进步。

一方面,NASA 实现了 “太空马桶自由”。2007 年国际空间站美国舱段厕所出现故障,NASA 曾“斥巨资” 从俄罗斯订购了一台太空马桶,耗资约 1900 万美元(约合 1.3 亿元人民币),NASA 声称,从俄罗斯买太空马桶比自己造更便宜。但是俄罗斯太空厕所模块中笨拙的操作方式长期以来困扰着美国宇航员,而且大小故障不断。

2008 年 5 月,美国购买的俄罗斯太空马桶气液分离器泵出现故障,机组人员无法修复相关部件,只能对其进行更换。于是,俄罗斯工程师将备用的气液分离器组装泵,加急送往佛罗里达州 NASA 肯尼迪航天中心;在那里,它被装在发现号航天飞机上并发射到国际空间站;而在此期间,宇航员们只能使用手动模式进行尿液收集,如果舱内卫生控制不好,很可能进化出致病细菌,来回一折腾,成本可就不止 1.3 亿元了。

2019 年 2 月,国际空间站美国舱段厕所再次出现故障,美国宇航员收集了超过 10 升从卫生间流出的液体。而现在美国自主研发的 UWMS 系统,虽然一套价值 1.5 亿元,但 NASA 对整体的规格、品质和性能的要求都有比较全面的把控,长期来看,能大幅降低维护成本,摆脱对国外的技术依赖。

另一方面,文明探索太空和外星球,不随地留下大小便。根据 NASA 的官方记录,在 1969 年阿波罗 10 号飞行任务中,一块便便的碎片逃脱并漂浮在狭窄的机舱中,给宇航员造成恐怖印象。在太空竞赛时期,登月宇航员们不得不与臭名昭著的 “阿波罗粪便收容装置” 相伴,这是一个光荣的便便袋,为了确保袋子不会膨胀成充满气体造成危险,宇航员们必须添加特殊的杀菌剂才能分解粪便和尿液。

在几次阿波罗飞行任务中,宇航员在月球表面留下了 96 袋粪便、尿液和呕吐物。NASA 估计,未来执行火星任务需要管理至少约 600 磅的固体废物,将废物留在其他星球上存在污染的风险,科学家们担心,人类的废物可能最终对外星生态系统造成破坏,因此有一个新的太空马桶来保存处理至关重要。

NASA 为此还提出了 “行星保护” 的基本指导原则。本质上,这个想法是将人类的细菌和垃圾留给人类自己,尤其是在未来太空旅行变得司空见惯的情况下。

到 2024 年,在月球上大小便会是什么样子?UWMS 系统可能会带来人类太空旅行史上回收效率最高、也最卫生的如厕体验。

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