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神舟十三號載人飛船發射成功，當我們仰望星空時，又多了一份對於航天員們的牽掛。同時，又對航天員在太空中的生活狀態充滿好奇。

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

Part.1地上的“廢水”，太空的“寶物”

在太空中，一個航天員每天生活的必備物資，包括空氣、食物和水等，摺合爲有效載荷大概是15公斤。儘管目前太空運輸技術不斷進步，每公斤運輸成本仍然在10000美元以上。這就意味着，能帶上太空的物資非常有限，特別是水。對於長期在軌甚至未來探索火星等空間任務而言，將航天員在太空中產生的水和廢物循環利用起來至關重要。

提到廢水循環，可能第一時間想到的可能尿液。沒錯，尿液的回收和再利用不僅可以滿足航天員們的飲水和衛生用水需求，還能製氧。

航天員的尿液如何處理，才能被重新利用？

首先，需要對尿液成分進行分析。尿液中的化學成分會因飲食、環境和體力活動而異，但除水以外的主要化學成分爲尿素，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，這是因爲航天員處於失重狀態，骨應力的變化會引起腎臟的適應性調整，腸道對鈣的吸收減少，尿鈣排泄便會增加。

尿液是空間站水回收利用的原料（圖片來源：veer圖庫）

一天之內產生的尿液不可能立即進行淨化和使用，那麼就需要對尿液進行存儲。

隨着尿液存儲時間的延長，尿素會水解成氨氣、銨根離子和二氧化碳。通過監測尿液pH值、電導率和滲透壓的增加，可以判斷尿素的水解程度，掌握其中化學組分的變化，進而有針對性地對尿液進行處理。

爲了防止微生物生長和保持尿液化學穩定性，國際空間站上的尿液處理裝置會使用特殊的物質來降低尿液的pH值及穩定尿液，以備存儲到足夠數量後進行後續處理淨化。

Part.2尿液淨化按流程，回收利用有妙招

將尿液回收、淨化需要經過一套複雜的工序，簡單來說，讓尿液經過蒸餾裝置，將水蒸發分離出來，而後輸送至顆粒過濾器和多次過濾系統去除無機物和非揮發性有機物，進一步在催化反應器中氧化低分子量的有機物，最後通過氣液分離和離子交換裝置，將其中的無機鹽離子去除，並消除殘留微生物，便可再次利用。

尿液處理裝置流程示意圖（圖片來源：參考文獻5）

理想中，該系統的設計水回收率爲85%，但許多限制因素使得實際效率低於設計水平。

限制因素之一便是航天員尿液中的鈣離子含量較高，不僅對航天員的身體健康產生影響，也會使空間站使用的管道和設備的結垢堵塞風險增加。而且，爲降低尿液pH值所採用的無機酸（H3PO4）會腐蝕蒸餾設備，從而降低系統的回收效率。

爲了減輕上述的副作用，研究人員們開發出了許多應對方法。例如，用檸檬酸等有機酸替代H3PO4等無機酸，用季胺替代重金屬離子抑制微生物生長，以及用生物硝化的方法降低pH值並將尿素轉化爲NH4+和NO3-。

研究人員也嘗試探索“黑科技”處理太空用水。比如採用非熱等離子體技術，可以在尿液表面放電，產生臭氧、過氧化氫、羥基自由基等活性氧化基團。它們在氧化尿液中的非揮發性有機物的同時，不產生有害副產物，而且可以有效滅火大腸桿菌等有害微生物。

Part.3先進科技助力空間站廢水處理

上面提到的淨化廢水方法，儘管已經逐漸成熟和完善，但流程仍然較爲複雜，是否還有其他更簡便的方法進行廢水處理呢？研究人員將視角轉向了其他方式——利用膜與通道蛋白。

膜，作爲一種薄薄的物理屏障，經常用於水處理過程。膜上分佈的大大小小的孔和通道，可以允許小於孔徑的分子通過，而截留大尺寸的顆粒或分子，從而實現過濾、分離的效果。通過控制膜的物理化學性質，可以選擇性地限制溶劑（液體和氣體）和溶質（離子、生物分子、膠體、細胞和懸浮固體等）是否可以通過薄膜。

在用於空間站水處理的新型薄膜設計和製備上，自然界爲研究人員貢獻了優秀的方案——水通道蛋白。作爲一種跨膜蛋白，水通道蛋白幾乎存在於每一種生物中，是一種選擇性滲透的水通道。將其穩定放置於聚合物囊泡中，就可以嵌入到傳統的聚酰胺薄膜中，作爲活性層，使水更容易通過薄膜，而將鹽離子和有機化合物截留下來。

此外，使用氧化石墨烯製備的反向滲透膜，利用其他物質不能通過，而水分子可以通過的原理，將這些雜質和水分離開，可以實現吸附、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（圖片來源：參考文獻6）

但是這些先進技術仍需不斷驗證和改進。因爲太空環境與陸地不同，有些在陸地上已經熟練應用的技術，在太空中未必可靠。因此仍然需要基礎科學的改進和探索，才能加快其早日實現應用。

Part.4微生態生命支持系統：太空生存的保障

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

如果在回收尿液中的水分的同時，可以將其中的氮、鉀、鈉等生命必須的元素轉化爲安全有效的肥料，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（圖片來源：NASA中文網）

2014年4月發射的SpaceX太空艙向國際空間站發送了一個生長箱，包括LED照明、排風、冷卻系統等設備，用於蔬菜種植的測試。這種被稱爲Veggie的植物生長箱或許能爲航天員們的食譜增添營養和心理慰藉，同時可用於失重環境中植物生長的研究。

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的計劃，如微生態生命支持系統方案（Micro-Ecological Life Support System Alternative （MELiSSA））。其核心理念是開發一種生物系統，將廢物封閉在資源循環中，即將人類的排泄物和二氧化碳等轉化爲食物、水、氧氣，從而使人類能夠長期執行太空飛行任務。

微生態生命支持系統示意圖（圖片來源：參考文獻7）

爲長期太空飛行任務提供可靠的生命支持是探索宇宙的必修課。因此無論是先進技術還是基礎科學，都須不斷驗證。儘管任重道遠，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，我們要做的準備還有很多。

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