什麼馬桶能值1.5億？看完發現是自己不配

本文授權轉載自 DeepTech深科技（ID：deeptechchina）

價值 2300 萬美元（約 1.5 億元人民幣）、3D 列印鈦金屬零件、男女通用，這些標籤屬於國際空間站即將裝配的高科技產品：新一代太空馬桶。

美國東部時間 10 月 2 日晚上 9:16，美國航空航天局（NASA）商業貨運提供商諾斯羅普 · 格魯曼公司（Northrop Grumman）向國際空間站發射補給任務，執行本次任務的天鵝座貨運飛船載有約 3.6 噸的科研物資、機組人員補給和相關設備，其中最值得關注的任務之一，就是把這樣一臺 「史上最貴」 的太空馬桶送到空間站，讓太空人們展開測試。

這套馬桶的官方稱呼，其實叫做通用廢物管理系統(UWMS)，它重 45 公斤，高 71 釐米，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，而新馬桶的設計也更多考慮到了女性航天員的需求。

NASA 方面表示，這只是升級的一部分，在國際空間站上安裝的新馬桶不僅能使空間站太空人們的生活變得更好、更高效，該系統還將裝配在新的獵戶座飛船上進行測試，這是阿耳忒彌斯登月計劃乃至火星登陸計劃的一部分，新馬桶將更適合在未來的深空探測任務中使用。

圖｜新一代太空馬桶：通用廢物管理系統 （來源：NASA）

暗藏黑科技，能讓尿變水

太空人們如何在太空中使用衛生間？這是人類步入太空時代以來的老問題。

由於重力缺失，人類最基本的排洩過程變得極具挑戰性。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，商業載人航天也呈現出常態化趨勢，太空馬桶的使用頻次隨之增高，太空人們在太空計劃中通常要執行數十天乃至數月的任務，如廁問題是剛需中的剛需。

那麼太空馬桶是怎麼工作的呢？衝水當然是不可能的，在沒有重力的情況下，太空馬桶利用的是強勁氣流吸力，將尿液和糞便從身體中抽離並吸入適當的容器中保存處理，防止滿天「飛翔」。

UWMS 開發的一個新功能是打開馬桶蓋時自啟動吸力氣流，這還有助於馬桶氣味控制。根據太空人們的調研需求，它擁有一個更符合人體工程學的設計，減少了清理和維護時間，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的 3D 列印鈦金屬雙風扇分離器，產生強大的氣流代替重力，將太空人的尿液和糞便吸進馬桶，同時新材料足以抵抗尿液預處理中所有的酸性物質，大幅提升馬桶的耐腐蝕和耐用性，減少在預定計劃之外進行維護的成本。

圖｜科研人員展示導尿軟管（來源：NASA）

太空人可使用特殊形狀的漏鬥和軟管吸尿，漏鬥可以方便地進行更換或取出進行消毒，並能使用坐便器進行排便。漏鬥和坐便器可以同時使用，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。

由於每個人在如廁時的姿勢都不一樣，太空人的一致反饋表明傳統的大腿綁帶很麻煩，UWMS 配套設施還包括了腳約束和把手裝置，供太空人使用，以防身體漂浮，另外，衛生紙、溼巾和手套會被收集到防水袋中集中處理。

花在如廁上的時間越少，太空人們就有更多的時間集中在科研和其他高度優先的太空任務上。

圖｜新型太空馬桶的設計構造（來源：NASA）

最高大上的改進是，UWMS 集成了最先進的尿液回收功能。是的，太空人的尿液排出後，經過這個馬桶過濾和處理，可以變為水。

美國太空人傑西卡 · 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。我們試圖在空間站上做的是模擬地球自然水循環的元素，最大化回收水資源。說到我們在國際空間站的尿液，今天的『咖啡』或許就是明天的咖啡！」

UWMS 的核心設計理念是可以很容易地集成到不同的太空飛行器和生命支持系統中，在太空人長時間生活和工作的太空艙平臺上，UWMS 裝有尿液預處理劑量泵 / 預處理質量指示裝置，能把經過預處理的尿液送入再生系統，回收水分供進一步使用。

其中應用到的一項黑科技為氨的電化學氧化技術，能將人類尿液中的尿素轉化為氨，氨是由氮和氫組成的小分子，氧化反應則可以分解這些分子，氨氧化可用於太空中生產氮氣、水和能量，是未來長期太空任務的關鍵需求。

空間站上的再生生命支持系統至關重要，它可以大大減少從地球上發射補給水的需求。未來的登月任務需要搭建月球基地，並長時間停留，而往返火星的任務則需要大約兩年時間，而且幾乎沒有機會補充水源。UWMS 的設計目標是在人類首次登上火星執行任務之前達到 98% 的回收率，空間站是目前唯一一個驗證長期生命支持和回收系統的太空試驗地點。

圖｜新型太空馬桶在詹森航天中心進行相關測試（來源：NASA）

NASA 官方表示，在太空中，水循環的每一部分都是生存的關鍵，而技術的進步可以對任務的效率和成功產生關鍵性的影響。當我們準備讓人類與阿耳特彌斯計劃一起重返月球，並期待人類首次登陸火星之際，生命支持系統將在保持太空人健康和安全方面發揮重要作用，因為他們生活、工作和學習的距離比以往任何時候都要遠。

目前，固體廢物保存在單獨的水密袋中，然後被壓縮在一個可移動的糞便儲存罐裡，少量的糞便壓縮樣本會被送回地球進行評估研究，大多數壓縮便便，則在返回地球大氣層時燃燒殆盡，UWMS 系統針對糞便排洩物尚沒有深度處理功能，但美國宇航局正在研究這一能力。

現在國際空間站上美國太空倉的廁所還是 1990 年代設計的，這種全新的 UWMS 系統將替換掉已經近 30 年的老太空馬桶型號，直到空間站使用壽命結束，期間將不斷收集性能和可靠性數據，為進一步改進做參考。

圖｜工作人員測試驗收 UWMS 系統（來源：NASA）

未來太空廁所的新樣版

UWMS 太空馬桶主要由 AES LR 項目提供資金，這是 NASA 先進勘探系統（AES）物流減少（LR）項目的子任務之一，其目標是開發一個緊湊的廁所系統，該系統未來可用於多種外太空飛行器和棲息地。

UWMS 的集成和國際空間站項目規劃始於 2015 年，並同步與國際空間站有效載荷辦公室和獵戶座計劃深入合作，研發優化持續到 2020 年初，這麼貴的馬桶其實不只一臺。

要在空間站上投入使用的是 UWMS 1 號；而 UWMS 2 號將被開發安裝在獵戶座飛船上參與登月任務，該飛船可以承載 4 名太空人，是人類重返月球，並接著徵服火星的關鍵太空飛行器，UWMS 團隊還將與獵戶座計劃的太空衣（LEA）團隊合作，開發應急尿液和糞便廢物收集系統，如果 UWMS 發生故障，則可以使用 LEA 應急系統收集排洩物。

兩套 UWMS 裝置的計劃均已完成。UWMS 1 號於 2019 年 6 月交付，預計 2020 年底正式投入使用；2019 年 12 月，UWMS 2 號也已交付，相關測試也會在 2020 年晚些時候進行。就目前來看，UWMS 的交付、集成和測試計劃都在如期推進。

圖｜NASA 的 「月球廁所挑戰賽」 宣傳圖（來源：NASA）

對於太空馬桶的研究，NASA 還在通過資金贊助的方式尋求更多民間創意力量。2020 年 6 月份，NASA 啟動了一項 「月球廁所挑戰賽」 活動，其錦標賽實驗室與一家名為 HeroX 的初創公司合作，組織了太空馬桶設計 「眾包」 活動。

NASA 呼籲國際社會提出更多緊湊輕便型馬桶的新穎設計理念，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備。

到 2024 年重返月球是一個雄心勃勃的目標，「月球廁所挑戰賽」旨在激發國際社會的想法，號召不同領域的太空探索者、工程師和科學家們，以不同於傳統航空工程的思維方式來解決問題，總獎金為 3.5 萬美元，將在提交 「技術」 類別中前三名設計的團隊之間共享。

新一代太空馬桶的設計應節水，並有助於保持著陸器內的環境沒有異味和其他汙染物。完整的解決方案將能夠為兩名太空人提供至少 14 天的支持，同時控制氣味，容納不同類型的廢物（如尿液、糞便、嘔吐物、腹瀉、月經等）和不同性別的使用者（男女），儘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組人員將頭 「埋在」 廁所的設計將獲得加分。

還有更多規格和性能設計細節要求，比如：

* 佔用空間不大於 0.12 平方米；

* 消耗不到 70 瓦的功率；

* 低於 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；

* 穩定排洩物，避免產生異味和微粒；

* 方便乘員使用廁所衛生用品，例如廁紙，溼巾和手套；

* 兩次清潔之間的間隔時間為 5 分鐘或更短，便於清潔和維護；

此外，馬桶將在標稱太空飛行器環境中運行，氣壓為 14.7 psia 或 8.2 psia，但其存儲系統在艙外可能會遇到 0 psia（真空）的運行環境，在廁所系統出現故障的情況下，太空馬桶系統的設計要確保收集的所有廢料均安全保存，機組人員沒有暴露於尿液、糞便或其他廢物、氣體以及真空之下，各項指標要求十分精確且嚴苛。

圖｜太空馬桶的關鍵組成部件（來源：NASA）

NASA 的「太空馬桶升級」

新型太空馬桶 UWMS 系統的交付，對於美國載人航天來講算是一個不小的進步。

一方面，NASA 實現了 「太空馬桶升級」。2007 年國際空間站美國艙段廁所出現故障，NASA 曾「斥巨資」 從俄羅斯訂購了一臺太空馬桶，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期以來困擾著美國太空人，而且大小故障不斷。

2008 年 5 月，美國購買的俄羅斯太空馬桶氣液分離器泵出現故障，機組人員無法修復相關部件，只能對其進行更換。於是，俄羅斯工程師將備用的氣液分離器組裝泵，加急送往佛羅裡達州 NASA 甘迺迪航天中心；在那裡，它被裝在發現號太空梭上並發射到國際空間站；而在此期間，太空人們只能使用手動模式進行尿液收集，如果艙內衛生控制不好，很可能進化出致病細菌，來回一折騰，成本可就不止 1.3 億元了。

2019 年 2 月，國際空間站美國艙段廁所再次出現故障，美國太空人收集了超過 10 升從衛生間流出的液體。而現在美國自主研發的 UWMS 系統，雖然一套價值 1.5 億元，但 NASA 對整體的規格、品質和性能的要求都有比較全面的把控，長期來看，能大幅降低維護成本，擺脫對國外的技術依賴。

另一方面，文明探索太空和外星球，不隨地留下大小便。根據 NASA 的官方記錄，在 1969 年阿波羅 10 號飛行任務中，一塊便便的碎片逃脫並漂浮在狹窄的機艙中，給太空人造成恐怖印象。在太空競賽時期，登月太空人們不得不與臭名昭著的 「阿波羅糞便收容裝置」 相伴，這是一個光榮的便便袋，為了確保袋子不會膨脹成充滿氣體造成危險，太空人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中，太空人在月球表面留下了 96 袋糞便、尿液和嘔吐物。NASA 估計，未來執行火星任務需要管理至少約 600 磅的固體廢物，將廢物留在其他星球上存在汙染的風險，科學家們擔心，人類的廢物可能最終對外星生態系統造成破壞，因此有一個新的太空馬桶來保存處理至關重要。

NASA 為此還提出了 「行星保護」 的基本指導原則。本質上，這個想法是將人類的細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，在月球上大小便會是什麼樣子？UWMS 系統可能會帶來人類太空旅行史上回收效率最高、也最衛生的如廁體驗。

參考：

https://techport.nasa.gov/view/93128

https://www.herox.com/LunarLoo/guidelines

https://futurism.com/the-byte/nasa-new-space-toilet-heading-station-tests

原文標題：一個價值1.5億元的馬桶！詳解NASA新一代太空「通用廢物管理系統」

來源： DeepTech深科技

編輯：zhenni