高達(dá)1.5億元的太空馬桶飛向宇宙

李忠東

UWMS馬桶造價不菲

2020年10月2日，美國“天鵝座”貨運(yùn)飛船在美國弗吉尼亞州發(fā)射升空，將3.6噸左右的物資和設(shè)備送往太空，并于10月5日到達(dá)國際空間站。其中，最引人注目的當(dāng)屬美國宇航局（NASA） 設(shè)計的一個鈦合金馬桶，其正式的名稱為“通用廢物管理系統(tǒng)”（UWMS）。2014年，這款堪稱“史上最貴的馬桶”正式立項，經(jīng)工程技術(shù)人員6年之久的研發(fā)，花費(fèi)2300萬美元（超過1.5億元人民幣）終于成功，較之前的ISS系統(tǒng)最大的區(qū)別是緊湊且完全獨(dú)立。舊的ISS系統(tǒng)通常藏在艙壁后面，維修較為困難，而UWMS馬桶被安置在空間站舊馬桶旁的隔間里，將經(jīng)歷3～4年的使用檢驗。它不僅在空間站內(nèi)使用，而且未來還將用于美國的載人登月計劃。

UWMS馬桶的設(shè)計較為簡單，重約45千克，高71厘米，比目前空間站使用的馬桶的質(zhì)量要輕40%，而體積則小65%。它大約是空間站正在使用中的2個馬桶的一半。這意味著維護(hù)和疏通管道的工作量減少了，宇航員有更多時間專注于他們所要完成的科學(xué)任務(wù)。舊版馬桶更適合男性使用，而UWMS馬桶則是男女通用的，因此設(shè)計了尿液漏斗和墊圈，讓女性如廁時更方便舒適。UWMS馬桶的形狀有點(diǎn)怪，整體看上去像一個機(jī)械漏，還設(shè)計了立足點(diǎn)和把手，放棄了在零重力環(huán)境下幫助宇航員固定位置的大腿綁帶。

舊版馬桶只允許宇航員要么小便要么排便，不能同時進(jìn)行。太空馬桶的設(shè)計難點(diǎn)是如何應(yīng)對零重力環(huán)境。為了確保排泄物不會亂飄，UWMS馬桶采用的是3D打印的鈦合金風(fēng)扇分離器，可以產(chǎn)生強(qiáng)大的吸力將尿液和糞便吸入馬桶。它還能做到干濕分離，回收尿液，并將糞便適當(dāng)保存起來。經(jīng)試驗，UWMS馬桶的尿液回收效率顯著提升了，回收后的尿液經(jīng)處理后可以轉(zhuǎn)變?yōu)轱嬘盟谋戎卦黾恿?。雖然聽上去感受不太好，但宇航員們把提煉后的尿液當(dāng)作飲用水已經(jīng)習(xí)以為常了。美國宇航員佩蒂特有個精妙的比喻——“昨天的咖啡變成了明天的咖啡”。

NASA先進(jìn)探測系統(tǒng)項目經(jīng)理梅利莎·麥金利介紹道，為了改善太空馬桶的方方面面，他們花了大量時間與宇航員溝通合作。UWMS馬桶的核心設(shè)計理念是能輕而易舉地配置到各種不同的航天器和生命維持系統(tǒng)中，而且改進(jìn)了尿液凈化過程，能回收更多尿液。而在執(zhí)行較短的任務(wù)時，UWMS馬桶與另一個系統(tǒng)協(xié)作，排泄物可以不經(jīng)過化學(xué)預(yù)處理，只是存儲起來。

即便如此，在距離地表約390千米的太空里處置排泄物仍然是一個復(fù)雜的過程，挑戰(zhàn)依然存在。 “我們在空間站想做的是模仿地球上的天然水循環(huán)原理，從空氣中回收水進(jìn)行循環(huán)利用。”美國宇航員杰茜卡·邁爾在NASA的博客上寫道，“空間站上90%的水基液體都會回收，包括尿液和汗液?！?/p>

太空如廁絕非易事

不少人羨慕宇航員能在太空體驗失重的感覺，殊不知長期生活在失重狀態(tài)下也有諸多煩惱，如廁困難就是其中之一。美國宇航員佩吉·惠特森曾在太空呆了665天，她表示喜歡完成各項空間站的工作，從在空間站的太陽能電池板上安裝電池部件，到對太空微生物進(jìn)行采樣，都令人難以懷念。唯有如廁是太空生活中自己不會想念的部分，大家將其稱之為“露營之旅”。英國宇航員蒂姆·皮克從空間站返回地球后感嘆道：“當(dāng)你剛返回地球時，重新感受重力的過程特別糟糕，但幾種情況例外……比如上廁所時，重力就變成你的朋友了，這是我們宇航員都盼望的事情?！?/p>

在失重狀態(tài)下，人體內(nèi)的腸子處于漂浮狀態(tài)，內(nèi)臟不能像在地球上一樣從容地工作，排便動力不足，致使排泄成為一項極具挑戰(zhàn)性的活動。工程師們提出了一些更好的解決辦法。不同于地球上的馬桶，設(shè)計太空馬桶可要復(fù)雜得多。由于空間站上沒有重力，馬桶的設(shè)計必須使用定向氣流而非重力。

最早進(jìn)入太空的宇航員根本沒有馬桶可用。1961年4月12日，“太空第一人”——蘇聯(lián)人尤里·加加林乘車前往發(fā)射臺，由于路途遙遠(yuǎn)，他在登上發(fā)射架前尿意爆發(fā)，最后只好通過宇航服的管道尿在了汽車輪胎上。一個月后，美國首位宇航員艾倫·謝潑德也倍受排泄的煩惱。1961年5月5日，他進(jìn)入了太空艙，當(dāng)時并沒有小便的需求。后因技術(shù)原因?qū)е掳l(fā)射推遲，他被迫在艙內(nèi)等待。這時，他意識到膀胱已經(jīng)滿盈了，急忙請示指揮部。經(jīng)過高層領(lǐng)導(dǎo)的激烈爭論，他被要求呆在原地。謝潑德后來回憶說：“穿的棉質(zhì)內(nèi)衣立刻就濕透了，但在發(fā)射時已經(jīng)完全干了。”

50多年前，NASA的阿波羅計劃將人類的太空探索帶入了一個新高度，相繼進(jìn)行了多次開創(chuàng)性的飛行并成功載人登月。然而，搭乘“阿波羅號”上天的宇航員們卻沒有廁所可用。他們只能把尿液排入一條像橡皮管一樣的器皿中，然后再將尿液儲存在袋子里，并帶回地球上進(jìn)行檢測。但如果要上“大號”就更窘迫了，宇航員們不得不使用邊緣上有粘環(huán)的塑料袋，附著在自己身后。為了防止氣味和細(xì)菌的擴(kuò)散，袋口采用了可粘貼設(shè)計，保證了與外界完全隔絕。NASA的第一個空間站——天空實(shí)驗室（Skylab）的投入運(yùn)行，標(biāo)志著太空馬桶第一次被安裝到NASA航天器中。該太空馬桶由壁上的一個孔組成，該孔可吸入尿液和糞便，并將其存儲在袋中以進(jìn)行分析。

后來，NASA的太空如廁設(shè)施有了一定發(fā)展，航天飛機(jī)上的太空馬桶也被稱為“廢物收集系統(tǒng)”。該系統(tǒng)使用旋轉(zhuǎn)扇葉將固體廢物分散在容器中，再將容器暴露在真空環(huán)境中使其干燥。而液體廢棄物則被排放到太空中。NASA的月球廁所挑戰(zhàn)項目經(jīng)理邁克·英特爾巴特羅曾表示，過去的太空馬桶設(shè)計實(shí)在太亂了，不能有效控制氣味，這讓宇航員們都很厭惡。而且，如果沒有搭檔的幫助，那么就很難保證如廁時的密封性。

目前，國際空間站上有2個俄羅斯生產(chǎn)的太空馬桶可供使用，大小和一個小衣柜差不多。其中，一個位于俄羅斯艙段的“星辰號”服務(wù)艙，另一個則位于美國艙段的“寧靜號”節(jié)點(diǎn)艙。馬桶的風(fēng)扇抽吸系統(tǒng)與吸塵器相似，固體廢物會被存儲在鋁容器的袋子中，而液體廢物則會被存儲于20升的容器中。相較于在阿波羅登月之旅中使用的尿不濕和尿液袋，空間站上的太空馬桶要舒適很多，但是仍然會帶來許多尷尬。例如，常會被宇航員吐槽如廁時味道重，使用不便等。

空間站的面積相當(dāng)于一個足球場，衛(wèi)生間只有一道簾子與其他區(qū)域隔開，宇航員沒有太多的個人空間和隱私。而頻頻發(fā)生的故障，讓如廁問題成為他們太空生活中最為尷尬的困擾之一。2009年7月19日，空間站主廁所發(fā)生故障，導(dǎo)致空間站和美國“奮進(jìn)號”航天飛機(jī)上共計13名宇航員面臨如廁難的窘境，被迫使用一個形似口袋并與廁所排污管道相連的后備集污裝置解決問題。2019年11月27日，空間站廁所再次出現(xiàn)故障，造成宇航員無可用廁所，只能使用“太空尿布”。

面向公眾集思廣益

2020年6月25日，NASA聯(lián)合HeroX平臺對外公布了一項名為“月球廁所挑戰(zhàn)”的比賽，設(shè)置3.5萬美元獎金征集一款能在月球上使用的廁所，其中最高獎金為2萬美元，第二名和第三名將分別獲得1萬美元和5000美元。NASA面向所有人甚至未成年人（18歲以下團(tuán)隊另設(shè)一個初級類別）征集創(chuàng)意?！霸虑驇睂⒆鳛镹ASA“阿爾忒彌斯登月計劃”的一部分，該計劃旨在讓美國在2024年之前重返月球，屆時將送第13位男性和首位女性宇航員登陸月球，這也將是人類歷史上第一位登上月球的女性宇航員。此外，NASA還計劃在月球上建立一個永久性居住地。

根據(jù)NASA發(fā)布的設(shè)計指南，“月球廁所”設(shè)計必須滿足多項要求：需要同時在微重力和月球重力環(huán)境下正常運(yùn)作，其中微重力通常被稱為“零重力”，近乎失重狀態(tài)，而月球重力相當(dāng)于地球重力的1/6。廁所的重量必須在地球重力下小于15千克，體積小于0.12立方米，能夠兼容男性和女性使用。使用者的身高通常在1.47～1.96米，體重為48.5～131.5千克。廁所應(yīng)收納2名宇航員14天的排泄量，每次足夠容納1升尿液，每次排便可容納500克糞便，允許將收集到的廢物轉(zhuǎn)移到儲存處或在飛船外處理。

NASA強(qiáng)調(diào)，月球廁所應(yīng)易于清潔和維護(hù)，2次使用的間隔時間不應(yīng)超過5分鐘。廁所使用功率應(yīng)低于70瓦，運(yùn)行時的噪音不得超過60分貝（比普通的浴室風(fēng)扇發(fā)出的噪音更小）。月球上的資源有限，要實(shí)現(xiàn)節(jié)水且能夠完成水的循環(huán)再利用。保持著陸器內(nèi)部的原始環(huán)境，沒有異味和其他污染物。廁所還需確保在馬桶出現(xiàn)故障時不會將糞便或尿液飄散到整個機(jī)艙中，造成污染。如果宇航員不必將頭伸進(jìn)馬桶就能處理嘔吐物，那么這樣的設(shè)計將得到加分。

NASA并不缺乏設(shè)計太空廁所的經(jīng)驗，他們目前正致力于研究如何對現(xiàn)有的太空馬桶的設(shè)計進(jìn)行更新。然而，太空專家們還是希望公眾能夠提供全新的、不同的方法來滿足人類在其他星球如廁的需求，而這將為創(chuàng)新的月球系統(tǒng)鋪平道路。邁克·英特爾巴特羅說：“我們認(rèn)識到，從免抽水馬桶到無水馬桶再到排泄物管理等有很多創(chuàng)新，期望能通過這次‘月球廁所挑戰(zhàn)比賽學(xué)習(xí)到更多先進(jìn)的想法和經(jīng)驗，從而擴(kuò)充我們的知識庫，找到可能存在的未知因素?！?/p>