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價(jià)值 2300 萬美元（約 1.5 億元人民幣）、3D 打印鈦金屬零件、男女通用，這些標(biāo)簽屬于國(guó)際空間站即將裝配的高科技產(chǎn)品：新一代太空馬桶。

美國(guó)東部時(shí)間 10 月 2 日晚上 9:16，美國(guó)航空航天局（NASA）商業(yè)貨運(yùn)提供商諾斯羅普 · 格魯曼公司（Northrop Grumman）向國(guó)際空間站發(fā)射補(bǔ)給任務(wù)，執(zhí)行本次任務(wù)的天鵝座貨運(yùn)飛船載有約 3.6 噸的科研物資、機(jī)組人員補(bǔ)給和相關(guān)設(shè)備，其中最值得關(guān)注的任務(wù)之一，就是把這樣一臺(tái) “史上最貴” 的太空馬桶送到空間站，讓宇航員們展開測(cè)試。

這套馬桶的官方稱呼，其實(shí)叫做通用廢物管理系統(tǒng)(UWMS)，它重 45 公斤，高 71 厘米，大約是目前空間站所使用俄制馬桶的一半，此外，舊馬桶更適合男性，而新馬桶的設(shè)計(jì)也更多考慮到了女性航天員的需求。

NASA 方面表示，這只是升級(jí)的一部分，在國(guó)際空間站上安裝的新馬桶不僅能使空間站宇航員們的生活變得更好、更高效，該系統(tǒng)還將裝配在新的獵戶座飛船上進(jìn)行測(cè)試，這是阿耳忒彌斯登月計(jì)劃乃至火星登陸計(jì)劃的一部分，新馬桶將更適合在未來的深空探測(cè)任務(wù)中使用。

        圖｜新一代太空馬桶：通用廢物管理系統(tǒng)  （來源：NASA）

暗藏黑科技，能讓尿變水

宇航員們?nèi)绾卧谔罩惺褂眯l(wèi)生間？這是人類步入太空時(shí)代以來的老問題。

由于重力缺失，人類最基本的排泄過程變得極具挑戰(zhàn)性。而隨著下一次 SpaceX 的載人飛行，空間站的人口將從 6 人增加到 7 人，商業(yè)載人航天也呈現(xiàn)出常態(tài)化趨勢(shì)，太空馬桶的使用頻次隨之增高，宇航員們?cè)谔沼?jì)劃中通常要執(zhí)行數(shù)十天乃至數(shù)月的任務(wù)，如廁問題是剛需中的剛需。

那么太空馬桶是怎么工作的呢？沖水當(dāng)然是不可能的，在沒有重力的情況下，太空馬桶利用的是強(qiáng)勁氣流吸力，將尿液和糞便從身體中抽離并吸入適當(dāng)?shù)娜萜髦斜４嫣幚恚乐節(jié)M天“飛翔”。

UWMS 開發(fā)的一個(gè)新功能是打開馬桶蓋時(shí)自啟動(dòng)吸力氣流，這還有助于馬桶氣味控制。根據(jù)宇航員們的調(diào)研需求，它擁有一個(gè)更符合人體工程學(xué)的設(shè)計(jì)，減少了清理和維護(hù)時(shí)間，與目前的空間站馬桶相比，它的體積小了 65％，重量輕了 40％，裝配由柯林斯航空航天公司開發(fā)的 3D 打印鈦金屬雙風(fēng)扇分離器，產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流代替重力，將宇航員的尿液和糞便吸進(jìn)馬桶，同時(shí)新材料足以抵抗尿液預(yù)處理中所有的酸性物質(zhì)，大幅提升馬桶的耐腐蝕和耐用性，減少在預(yù)定計(jì)劃之外進(jìn)行維護(hù)的成本。

宇航員可使用特殊形狀的漏斗和軟管吸尿，漏斗可以方便地進(jìn)行更換或取出進(jìn)行消毒，并能使用坐便器進(jìn)行排便。漏斗和坐便器可以同時(shí)使用，這滿足了很多女航天員的需求，UWMS 的坐便器看起來口徑很小，但在微重力條件下非常理想，它提供了理想的身體接觸面，以確保一切盡在掌控之中。

由于每個(gè)人在如廁時(shí)的姿勢(shì)都不一樣，宇航員的一致反饋表明傳統(tǒng)的大腿綁帶很麻煩，UWMS 配套設(shè)施還包括了腳約束和把手裝置，供宇航員使用，以防身體漂浮，另外，衛(wèi)生紙、濕巾和手套會(huì)被收集到防水袋中集中處理。

花在如廁上的時(shí)間越少，宇航員們就有更多的時(shí)間集中在科研和其他高度優(yōu)先的太空任務(wù)上。

最高大上的改進(jìn)是，UWMS 集成了最先進(jìn)的尿液回收功能。是的，宇航員的尿液排出后，經(jīng)過這個(gè)馬桶過濾和處理，可以變?yōu)樗?/span>

美國(guó)宇航員杰西卡 · 梅爾（Jessica Meir）解釋說：“我們回收了空間站 90% 的水基液體，包括尿液和汗液。我們?cè)噲D在空間站上做的是模擬地球自然水循環(huán)的元素，最大化回收水資源。說到我們?cè)趪?guó)際空間站的尿液，今天的‘咖啡’或許就是明天的咖啡！”

UWMS 的核心設(shè)計(jì)理念是可以很容易地集成到不同的航天器和生命支持系統(tǒng)中，在宇航員長(zhǎng)時(shí)間生活和工作的太空艙平臺(tái)上，UWMS 裝有尿液預(yù)處理劑量泵 / 預(yù)處理質(zhì)量指示裝置，能把經(jīng)過預(yù)處理的尿液送入再生系統(tǒng)，回收水分供進(jìn)一步使用。

其中應(yīng)用到的一項(xiàng)黑科技為氨的電化學(xué)氧化技術(shù)，能將人類尿液中的尿素轉(zhuǎn)化為氨，氨是由氮和氫組成的小分子，氧化反應(yīng)則可以分解這些分子，氨氧化可用于太空中生產(chǎn)氮?dú)狻⑺湍芰浚俏磥黹L(zhǎng)期太空任務(wù)的關(guān)鍵需求。

空間站上的再生生命支持系統(tǒng)至關(guān)重要，它可以大大減少?gòu)牡厍蛏习l(fā)射補(bǔ)給水的需求。未來的登月任務(wù)需要搭建月球基地，并長(zhǎng)時(shí)間停留，而往返火星的任務(wù)則需要大約兩年時(shí)間，而且?guī)缀鯖]有機(jī)會(huì)補(bǔ)充水源。UWMS 的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在人類首次登上火星執(zhí)行任務(wù)之前達(dá)到 98% 的回收率，空間站是目前唯一一個(gè)驗(yàn)證長(zhǎng)期生命支持和回收系統(tǒng)的太空試驗(yàn)地點(diǎn)。

NASA 官方表示，在太空中，水循環(huán)的每一部分都是生存的關(guān)鍵，而技術(shù)的進(jìn)步可以對(duì)任務(wù)的效率和成功產(chǎn)生關(guān)鍵性的影響。當(dāng)我們準(zhǔn)備讓人類與阿耳特彌斯計(jì)劃一起重返月球，并期待人類首次登陸火星之際，生命支持系統(tǒng)將在保持宇航員健康和安全方面發(fā)揮重要作用，因?yàn)樗麄兩睢⒐ぷ骱蛯W(xué)習(xí)的距離比以往任何時(shí)候都要遠(yuǎn)。

目前，固體廢物保存在單獨(dú)的水密袋中，然后被壓縮在一個(gè)可移動(dòng)的糞便儲(chǔ)存罐里，少量的糞便壓縮樣本會(huì)被送回地球進(jìn)行評(píng)估研究，大多數(shù)壓縮便便，則在返回地球大氣層時(shí)燃燒殆盡，UWMS 系統(tǒng)針對(duì)糞便排泄物尚沒有深度處理功能，但美國(guó)宇航局正在研究這一能力。

現(xiàn)在國(guó)際空間站上美國(guó)太空倉(cāng)的廁所還是 1990 年代設(shè)計(jì)的，這種全新的 UWMS 系統(tǒng)將替換掉已經(jīng)近 30 年的老太空馬桶型號(hào)，直到空間站使用壽命結(jié)束，期間將不斷收集性能和可靠性數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步改進(jìn)做參考。

圖｜工作人員測(cè)試驗(yàn)收 UWMS 系統(tǒng)（來源：NASA）

未來太空廁所的新樣版

UWMS 太空馬桶主要由 AES LR 項(xiàng)目提供資金，這是 NASA 先進(jìn)勘探系統(tǒng)（AES）物流減少（LR）項(xiàng)目的子任務(wù)之一，其目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)緊湊的廁所系統(tǒng)，該系統(tǒng)未來可用于多種外太空飛行器和棲息地。

UWMS 的集成和國(guó)際空間站項(xiàng)目規(guī)劃始于 2015 年，并同步與國(guó)際空間站有效載荷辦公室和獵戶座計(jì)劃深入合作，研發(fā)優(yōu)化持續(xù)到 2020 年初，這么貴的馬桶其實(shí)不只一臺(tái)。

要在空間站上投入使用的是 UWMS 1 號(hào)；而 UWMS 2 號(hào)將被開發(fā)安裝在獵戶座飛船上參與登月任務(wù)，該飛船可以承載 4 名宇航員，是人類重返月球，并接著征服火星的關(guān)鍵航天器，UWMS 團(tuán)隊(duì)還將與獵戶座計(jì)劃的宇航服（LEA）團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)應(yīng)急尿液和糞便廢物收集系統(tǒng)，如果 UWMS 發(fā)生故障，則可以使用 LEA 應(yīng)急系統(tǒng)收集排泄物。

兩套 UWMS 裝置的計(jì)劃均已完成。UWMS 1 號(hào)于 2019 年 6 月交付，預(yù)計(jì) 2020 年底正式投入使用；2019 年 12 月，UWMS 2 號(hào)也已交付，相關(guān)測(cè)試也會(huì)在 2020 年晚些時(shí)候進(jìn)行。就目前來看，UWMS 的交付、集成和測(cè)試計(jì)劃都在如期推進(jìn)。

       圖｜NASA 的 “月球廁所挑戰(zhàn)賽” 宣傳圖（來源：NASA）

對(duì)于太空馬桶的研究，NASA 還在通過資金贊助的方式尋求更多民間創(chuàng)意力量。2020 年 6 月份，NASA 啟動(dòng)了一項(xiàng) “月球廁所挑戰(zhàn)賽” 活動(dòng)，其錦標(biāo)賽實(shí)驗(yàn)室與一家名為 HeroX 的初創(chuàng)公司合作，組織了太空馬桶設(shè)計(jì) “眾包” 活動(dòng)。

NASA 呼吁國(guó)際社會(huì)提出更多緊湊輕便型馬桶的新穎設(shè)計(jì)理念，尋找一種更小、更高效且能夠在微重力和月球重力下工作的下一代設(shè)備。

到 2024 年重返月球是一個(gè)雄心勃勃的目標(biāo)，“月球廁所挑戰(zhàn)賽”旨在激發(fā)國(guó)際社會(huì)的想法，號(hào)召不同領(lǐng)域的太空探索者、工程師和科學(xué)家們，以不同于傳統(tǒng)航空工程的思維方式來解決問題，總獎(jiǎng)金為 3.5 萬美元，將在提交 “技術(shù)” 類別中前三名設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)之間共享。

新一代太空馬桶的設(shè)計(jì)應(yīng)節(jié)水，并有助于保持著陸器內(nèi)的環(huán)境沒有異味和其他污染物。完整的解決方案將能夠?yàn)閮擅詈絾T提供至少 14 天的支持，同時(shí)控制氣味，容納不同類型的廢物（如尿液、糞便、嘔吐物、腹瀉、月經(jīng)等）和不同性別的使用者（男女），盡管收集嘔吐物的首選方法是嘔吐袋，但是可以收集嘔吐物且無需機(jī)組人員將頭 “埋在” 廁所的設(shè)計(jì)將獲得加分。

還有更多規(guī)格和性能設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)要求，比如：

* 占用空間不大于 0.12 平方米；

* 消耗不到 70 瓦的功率；

* 低于 60 分貝的噪音水平控制；

* 可承受 58 至 77 英寸高，107 至 290 磅體重的用戶；

* 可同時(shí)排尿和排便；

* 每次使用可收集 1 升尿液，保障每位乘員每天平均使用 6 次；

* 每次排便可容納 500 克糞便，保障每位船員每天平均使用 2 次；

* 穩(wěn)定排泄物，避免產(chǎn)生異味和微粒；

* 方便乘員使用廁所衛(wèi)生用品，例如廁紙，濕巾和手套；

* 兩次清潔之間的間隔時(shí)間為 5 分鐘或更短，便于清潔和維護(hù)；

此外，馬桶將在標(biāo)稱航天器環(huán)境中運(yùn)行，氣壓為 14.7 psia 或 8.2 psia，但其存儲(chǔ)系統(tǒng)在艙外可能會(huì)遇到 0 psia（真空）的運(yùn)行環(huán)境，在廁所系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，太空馬桶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要確保收集的所有廢料均安全保存，機(jī)組人員沒有暴露于尿液、糞便或其他廢物、氣體以及真空之下，各項(xiàng)指標(biāo)要求十分精確且嚴(yán)苛。

圖｜太空馬桶的關(guān)鍵組成部件（來源：NASA）

NASA 的“太空馬桶自由”

新型太空馬桶 UWMS 系統(tǒng)的交付，對(duì)于美國(guó)載人航天來講算是一個(gè)不小的進(jìn)步。

一方面，NASA 實(shí)現(xiàn)了 “太空馬桶自由”。2007 年國(guó)際空間站美國(guó)艙段廁所出現(xiàn)故障，NASA 曾“斥巨資” 從俄羅斯訂購(gòu)了一臺(tái)太空馬桶，耗資約 1900 萬美元（約合 1.3 億元人民幣），NASA 聲稱，從俄羅斯買太空馬桶比自己造更便宜。但是俄羅斯太空廁所模塊中笨拙的操作方式長(zhǎng)期以來困擾著美國(guó)宇航員，而且大小故障不斷。

2008 年 5 月，美國(guó)購(gòu)買的俄羅斯太空馬桶氣液分離器泵出現(xiàn)故障，機(jī)組人員無法修復(fù)相關(guān)部件，只能對(duì)其進(jìn)行更換。于是，俄羅斯工程師將備用的氣液分離器組裝泵，加急送往佛羅里達(dá)州 NASA 肯尼迪航天中心；在那里，它被裝在發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)上并發(fā)射到國(guó)際空間站；而在此期間，宇航員們只能使用手動(dòng)模式進(jìn)行尿液收集，如果艙內(nèi)衛(wèi)生控制不好，很可能進(jìn)化出致病細(xì)菌，來回一折騰，成本可就不止 1.3 億元了。

2019 年 2 月，國(guó)際空間站美國(guó)艙段廁所再次出現(xiàn)故障，美國(guó)宇航員收集了超過 10 升從衛(wèi)生間流出的液體。而現(xiàn)在美國(guó)自主研發(fā)的 UWMS 系統(tǒng)，雖然一套價(jià)值 1.5 億元，但 NASA 對(duì)整體的規(guī)格、品質(zhì)和性能的要求都有比較全面的把控，長(zhǎng)期來看，能大幅降低維護(hù)成本，擺脫對(duì)國(guó)外的技術(shù)依賴。

另一方面，文明探索太空和外星球，不隨地留下大小便。根據(jù) NASA 的官方記錄，在 1969 年阿波羅 10 號(hào)飛行任務(wù)中，一塊便便的碎片逃脫并漂浮在狹窄的機(jī)艙中，給宇航員造成恐怖印象。在太空競(jìng)賽時(shí)期，登月宇航員們不得不與臭名昭著的 “阿波羅糞便收容裝置” 相伴，這是一個(gè)光榮的便便袋，為了確保袋子不會(huì)膨脹成充滿氣體造成危險(xiǎn)，宇航員們必須添加特殊的殺菌劑才能分解糞便和尿液。

在幾次阿波羅飛行任務(wù)中，宇航員在月球表面留下了 96 袋糞便、尿液和嘔吐物。NASA 估計(jì)，未來執(zhí)行火星任務(wù)需要管理至少約 600 磅的固體廢物，將廢物留在其他星球上存在污染的風(fēng)險(xiǎn)，科學(xué)家們擔(dān)心，人類的廢物可能最終對(duì)外星生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，因此有一個(gè)新的太空馬桶來保存處理至關(guān)重要。

NASA 為此還提出了 “行星保護(hù)” 的基本指導(dǎo)原則。本質(zhì)上，這個(gè)想法是將人類的細(xì)菌和垃圾留給人類自己，尤其是在未來太空旅行變得司空見慣的情況下。

到 2024 年，在月球上大小便會(huì)是什么樣子？UWMS 系統(tǒng)可能會(huì)帶來人類太空旅行史上回收效率最高、也最衛(wèi)生的如廁體驗(yàn)。