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3名航天员空间站6个月,一天最少4升水,水如何解决?技术难度高

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转眼间,3名航天员在空间站已经满了1个月,航天员已经适应了在空间站的生活,我们也从各种视频里可以看到航天员在空间站温馨的太空生活,比如饭后一起收拾“厨余垃圾”,叶光富饮料洒出后用纸巾“擦空气”,翟志刚抽空打太极,王亚平和翟志刚化身“托尼老师”为叶光富理发,翟志刚头戴“免冲水神器”揉搓洗头,王亚平展示太空“免漱口”式刷牙……


这个时候,网友就会有疑问了,空间站用水如何解决呢?我们要知道,一般来说,正常成年人每天应该补充2000毫升左右,这里面包括喝水和饮食中摄取的水分量。而刨除饮食中摄取的水分量,根据中国营养学会发布的中国居民饮水适宜摄入量:人体每天需要摄入1500毫升水-1700毫升水。


就算以1500毫升来说,3名航天员每天最少需要4500毫升水,这还不包括卫生用水,以及为生命保障系统提供的设备用水,以国际空间站为例,每人每天约4升水的配给量。那这些水该如何解决呢?

水如何解决

最简单粗暴的方法,当然就是送水,天舟三号这次带了多组水箱,供航天员饮用和使用。这些水箱均采用了轻质、柔软材料制成的“水囊”包装,不仅可以保证饮水安全,还可以在饮水用尽后更好地收纳,载人航天器为了满足航天员的饮水需求,配有可直接饮用的贮水箱和袋装水,相当于“桶装水”和“瓶装水”。袋装水袋配有吸管和止水夹与水袋连接。


除此之外,空间站还可以通过燃料电池生成水,氢氧燃料电池在碱性条件下反应产生电能,同时生成水。

最后就是依靠空间站环境控制和生命保障技术回收和再生水,空间环境控制和生命保障技术包括氧气再生系统,废水再生系统,大气压力和成分控制,舱体温度和湿度控制,卫生和废物管理五个部分。


废水再生系统包括冷凝水收集、尿处理、水处理三个子系统。依靠这三大子系统,天宫空间站实现了站内水资源的100%再生。


降温除湿产生的冷凝水会通过冷凝水方式回收,还有二氧化碳还原的废水也会回收,而再生水主要就是尿液的循环利用,科技难度非常高。

尿液的处理回收有多难

尿液的处理回收是载人航天生命保障系统中非常重要的一环,也是废水处理环节中较为复杂及重要的一环。

中国和美俄等航天大国都投入了大量的人力物力进行了系统的研究,攻克了许多科学技术难题,才成功研制出尿液处理系统。

航天员尿液废水中含有高达95%的水分, 3.5%的有机物(包括尿素,肌酐和尿酸等)和1.5%的无机盐(钠、钾、氯、镁、钙、铵、硫酸盐和磷酸盐等) 。


空间站中尿液的处理通常包括预处理、物质回收 和后处理。预处理主要是完成尿液的收集,预处理剂的 添加以及气液相的分离;预处理剂的添加主要是为了 避免尿液中尿素水解释放出的氨气引起空气污染,所以在空间站处理回收尿液之前,都添加了化学药剂预处理尿液以防止尿素水解,如国际空间站美国舱段采 用强酸和铬氧化物作为尿液预处理剂,“和平号”空间 站使用防腐剂作为预处理剂。后处理主要用于进一 步净化从尿液中回收的水分,使其达到饮用水标准。


俄罗斯主要采用渗透膜蒸发技术进行航天员尿液再生处理,其尿液再生系统已于1990年1月15日在“和平”号空间站上的Kvant-2舱段上启用,该装置的处理能力为每天5 千克的水,尿液中的水回收率为80%左右。到1999年,该装置已从尿液中回收了6 000 千克的再生水,回收后的再生水水质可达饮用水标准。目前在国际空间站的俄罗斯舱段中,还是采用改进后的渗透蒸发膜处理技术。

国际空间站和中国的空间站都采用的是最先进的蒸汽压缩蒸馏技术,蒸汽压缩蒸馏技术主要利用相变潜热降低整机的运行能耗,整个过程所消耗的能量主要用于罗茨压缩机的工作以及补偿系统的热力和机械损失。尿液的冷凝出水会与空气冷凝水以及卫生废水一起进入水处理仔细听,依次通过多级过滤床、催化反应器和离子交换床进一步处理后达到饮用水标准。


处理后的水还要经过微生物检查

中国空间站里经过水处理子系统净化的水不仅可以达到饮用水标准,甚至超出了生活饮用水卫生标准与航天员饮用水卫生标准要求,可以用于航天员的清洁与制氧需求。

目前根据实际的数据来看,该尿处理子系统能够从6升尿液中提取出5升蒸馏水,最大产水速率为2.5升每小时,蒸馏水经过水处理子系统净化后的再生水。

航天员每个月都要对用水采样,进行微生物检测,看看太空中喝的水是否干净。科学家普遍认为活微生物必须在时间和空间上与水溶液接触才能进行代谢,反过来,微生物污染无法从地球的水彻底消除,而只能在长期范围内得到控制和减弱。因为航天员在空间站需要呆6个月,分析水生微生物至关重要。


为避免污染水样,王亚平、叶光富专门戴上了口罩、手套。两人先后过滤水样和培养基,把微生物、营养物质留在过滤膜上,接着观察采集到的微生物样本,检验水是否能喝。

总结

在未来,为了给航天员提供更为舒适安全的生存环境,科学家还在研制由植物、动物和微生物组成的人工生态系统,尿液处理系统将进一步升级,可将尿液中的营养物质回收用于植物生长所需营养液的配制,既可以保证植物的正常生长,也有助于实现系统内物质的循环利用,从而极大地减少长期空间活动所需的地面补给。

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