自从人类开始探索太空,如何在失重环境中完成日常“吃喝拉撒”成为一个重要课题。
就在神舟十九号与神舟十八号实现中国航天史上第五次“太空会师”后,人们再次关注起宇航员在太空中的日常生活——尤其是“上厕所”这样在地球上再平凡不过的事。
眼看着神舟十八号航天员乘组已经完成为期六个月的任务返回地球,那么人回来了,这期间积累的几百公斤排泄物该如何处理呢?
在地球上,人们是在重力作用下完成大小便的排泄,而在失重的太空中,液体和固体会漂浮不定。
如果没有可靠的收集装置,这些排泄物很可能污染空间站内的仪器设备,甚至威胁航天员的健康。
根据研究数据,一个成年男性每天排出约1.5升尿液和150克粪便,而一名航天员在为期六个月的任务中平均会产生约270升尿液和27公斤粪便。
当航天员增加至三人时,这一数据将飙升到400公斤以上,这些排泄物在没有适当的收集、处理和保存时,将成为太空站内的健康和环境隐患。
为了保持空间站清洁、确保航天员在太空的身体健康,必须要考虑空间站内大小便等排泄物的处理问题。
比如,国际空间站特殊设计的“大、小便收集装置”,其工作原理类似于吸尘器,小便处理系统首先利用风机将尿液吸入尿液收集管道,并在气流的推动下流入储存箱中,再将尿液进行净化处理后,转化为可饮用水。
这种方法的尿液回收利用率高达85%以上,数据显示,国际空间站每年平均回收约5000升尿液,大大减轻了地球的物资补给压力,也确保了航天员拥有足够的水资源。
由此可见,小便的处理已成为空间站实现资源循环利用的有效手段。
中国空间站里也设计了尿液回收与处理系统,通过多次技术迭代,中国航天研发出一套尿液提纯系统,不仅能将尿液回收率提高至83%,更可在长时间运行中保持稳定。
根据神舟十三号任务的数据显示,航天员在六个月任务中处理了600多升尿液,成功转化为500多升可再利用的饮用水。
这一技术的突破带来的不仅是物资运输成本的大幅降低(每年节省约20亿元,相当于一艘天舟货运飞船的运送费用),更标志着中国在航天水资源回收领域的自我突破。
如今的太空资源循环系统,水资源的高度循环利用已成为“常规”操作,有利保障了航天员在长时间驻留任务中的生活需求。
在尿液处理的过程中,气流收集、蒸馏、过滤和再利用各个步骤都包含多个技术难点,如尿液钙结晶与沉淀的处理、废弃物的蒸馏技术等。
而这套尿液回收子系统的优异表现,不仅在国家层面上打破了美国在航天领域的技术垄断,更意味着未来中国在水资源循环利用上具备更大的自主性,为未来更远距离、更长时间的太空任务奠定了坚实的技术基础。
小便的处理相对简单,固体废弃物的处理则更为复杂。每次如厕,宇航员需要使用特别设计的粪便收集袋。
这个袋子由透气但不透水的材料制成,袋中含有适量的防腐剂用于抑制细菌滋生和异味扩散,袋口设计为弹性松紧带,确保粪便能够安全收集。
便器内部设有负压装置,以避免粪便在失重状态下漂浮扩散,收集袋在使用后会自动密封,放入废物箱保存。
空间站内存储的这些固体废弃物需要定期检查,以避免因气体释放而产生的胀气问题,否则可能会在舱内产生有害气体,影响空气质量。
而在操作过程中,宇航员还需遵循精确的流程,如确保坐垫与便器口紧密贴合,将身体固定在便器上以避免“漂移”现象。
2023年神舟十三号任务中,宇航员翟志刚便详细演示了太空如厕的复杂过程:宇航员进入卫生区,放置大便袋后需启动风机,打开裤带并用绑带将身体固定,结束后再对收集袋进行消毒、密封、真空包装,并将其存入垃圾箱。
每一步都经过严格设计和科学验证,以保证在失重状态下不会出现意外。
那么,在数百公里外的空间站中产生的大量排泄物垃圾等最终会如何彻底处理掉呢?
空间站内的垃圾处理需要极其谨慎地设计,确保安全并尽可能节约资源。
在空间站中,尿液等废水类废弃物可以通过“水回收系统”进行回收利用,相比之下,固体排泄物却没有那么多用处。
航天员产生的粪便一般是用特殊的密封袋或容器存储起来,这样可以避免异味扩散,确保空间站内的空气清洁。
这些固体排泄物会与生活垃圾以及废弃设备零部件等一同储存到货运飞船中,待到飞船满载废弃物后便会脱离空间站,进行销毁处理。
货运飞船在完成向空间站输送物资的任务后,通常会装满各类废弃物并驶向地球大气层,在进入地球大气层的过程中,这些装满垃圾的货运飞船会在高温摩擦下完全烧毁,变成尘埃随风飘散。
通过这种方式,空间站避免了废弃物在密闭环境中的长期堆积,也不需要考虑将这些废弃物带回地球的成本。
尽管目前的大部分废弃物都随着货运飞船在大气层中烧毁,但随着空间站任务的延长和驻留人数的增加,废弃物的处理需求也越来越大。
放在太空中的垃圾不仅会占据宝贵的储存空间,也可能对空间站的环境控制系统带来负面影响。
因此,航天机构正在研究更先进的废弃物处理方法,未来一种可能的发展方向是使用微生物降解有机废物,将固体排泄物分解成肥料或者其他有用资源。
此外,还有一些设想,例如利用激光设备直接在太空中气化垃圾,将其转化为微粒状物质,直接排放到宇宙空间中以减轻返回地球的负担。
总结来说,目前在空间站中大多数废弃物还是依靠货运飞船带走后烧毁的方式处理,但随着太空任务的复杂化和长时间化,废弃物处理技术也在不断改进。
未来,随着人类不断拓展太空领域的活动边界,先进的废弃物处理技术不仅将更有效,也将为长途深空探测提供可持续的资源支持。