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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

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再见,太空尿片

2017-12-13 13:53:00

  迄今,人类已经攻克了探测太空征程中一道又一道的技术难题,宇航员总能接触到世界上最先进的相关装备设施,但是像如厕这种在地球上轻而易举的事情,到了天上却成为一大挑战。

  美国宇航局(NASA)考虑到人类的基本需求,确实在宇宙飞船上配备了非常先进的废物处理系统,可它们只有在宇航员没有穿着宇航服的时候才能派上用场,在发射、着陆或者一些紧急情况下,宇航员不得不戴上不那么舒服的太空尿片,以备不时之需。可这毕竟只是权宜之计,NASA的科学家为此伤透了脑筋,甚至有黔驴技穷了,于是他们开始向社会大众寻求帮助。

  太空如厕不容易

  目前,宇航员在国际空间站的如厕问题主要还是依靠马桶解决。不过,这款马桶与我们日常使用的完不同,它由一个吸尘器状的抽吸系统组成,仅成本就高达1900万美元(约合人民币1.31亿元)。该马桶只有一个直径10厘米的开口,可通过真空作用吸掉固体废物,这与我们日常使用的通常直径为30~45厘米的马桶圈相比,舒适度差远了,但事实上,这已经是改良之后的新品了。

  美国宇航局(NASA)发言人琳内特·麦迪逊称:“这套新马桶设备能将宇航员的尿液转化成饮用水,不会再像之前的厕所系统那样把尿液直接排向宇宙空间。当然,宇航员在使用这款马桶时,需要克服一些心理上的障碍。而且制造这套系统就像在地球上建造一个市政处理中心一样,是一项很复杂的工程。”

  由于宇宙空间的引力极其微弱,因此宇航员在如厕时,还得将身体固定在马桶座上,严丝合缝,以确保没有粪便逸出。如果他们想排泄尿液,还需要使用软管适配器,通过漏斗状的装置排泄。如厕都要如此这般,是因为在失重状态下,粪便也会像其他物体一样飘来飘去,直至附着在物体的表面。这不是个小问题,美国宇航员斯科特·凯利在12个月的轨道飞行中一共“生产”了82千克粪便。想象一下,如果没有这套系统,将会是一番怎样的景象?

  太空尿片不完美

  NASA近日发布了一张图表,详细解释了微重力环境对宇航员造成的种种影响。其中,一则比较有趣的信息就是关于宇航员的排泄物处理问题的。通常,宇航员的固体排泄物会被统一收集后作为垃圾最终丢入大气层,形成流星,燃烧殆尽。

  在执行太空行走任务时,宇航员不得不穿着厚重笨拙的航天服,这更给如厕带来了诸多不便。目前,解决宇航员身穿航天服期间内急的方法,主要是使用吸水性极强的垫子。这种巨大的“太空尿片”虽然非常有效,但却只适用于不时之需。一旦遇到紧急情况,宇航员必须连续数日穿航天服,那就无法及时清除排泄物,可能导致宇航员皮肤感染,甚至出现脓毒症。

  从目前的情况来看,宇航员距离地球表面并没有那么远,如果身体健康出现紧急状况还可以很快返回地球接受治疗。但是,人类已经在计划针对深空的距离更加遥远的太空飞行,那么一旦出现紧急情况就无法应对了。要避免此类情况的发生,现有的太空尿片,乃至整个处理系统升级换代势在必行。

  曾在国际空间站工作的NASA资深宇航员里克·马斯特拉基奥说:“随着人类跨越近地轨道,将探索太空的目光望向更遥远的火星,我们会有许多新问题需要解决,其中大部分是复杂的技术问题,当然也涉及到一些基本的生理问题,比如‘我们在太空中如何上厕所’。这虽然听起来有些不雅,但却事关生存。你肯定不希望粪便连续几天一直附着在你的身体上。如果你曾经照顾过婴儿,那就会知道婴儿用尿布包裹屁股很容易出现尿布疹。如果在太空中的宇航员患上此病,那将非常棘手。”

  征求方案破难题

  为了寻找替代或升级现有的太空尿片的方案,NASA与Hero X基金会于2016年10月共同发起了“太空便便挑战赛”(Space Poop Chal-lenge),广邀民间高手,征集设计方案。这个比赛由NASA下设的一个负责技术招标的实验室主持,入选方案有望在3~4年内接受实际测试。

  NASA发布的图表详细解释了微重力环境对宇航员造成的种种影响。挑战赛的说明文档是这样描述的:“过去,解决这件事(如厕)的标准方案就是使用太空尿片。然而这只是一种非常临时的解决办法,因为时间超过一天,该尿片就已失去了保护作用,这对宇航员的身体健康会有不小的危害。如果未来宇航员需要前往更遥远的深空,那么这个问题可能会变得更加急迫。”

  NASA发言人琳内特在新闻发布会上表示:“举办这次大赛的目的是找到一种安全并且在医学上可行的解决方案,从而让长时间行动受限的宇航员能够不被自己的排泄物所困扰。”

  对于未来航天服排泄物处理系统的设计,NASA提出了两个明确的要求:首先,系统必须能够持续收集一名宇航员6天的排泄物,并确保连续穿着航天服对身体无碍;其次,考虑到太空中的物体通常处于漂浮状态,航天服排泄物处理系统必须能够在微重力条件下工作,而且即便在宇航员太空行走或紧急情况下仍能处于加压状态,以保证工作人员能够在宇航员抵达安全地点或者返回加压环境之后,清理他们的粪便。

  民间高手献智慧

  截至2016年12月20日,“太空便便挑战赛”组委会收到了5000多种解决方案,这些方案是由1.9万名参赛者组成的 150 多个团队提供的。据悉,参赛者遍布全球所有国家和地区,甚至还包括南极洲。

  2017年2月16日,赢得此次挑战赛的3个设计方案揭晓,拔得头筹的方案设计者是航空军医撒切尔·卡东,他获得了1.5万美元的奖金。他的方案主要围绕一个位于航天服大腿根部的“接入口”打开,他利用自己进行微创手术的经验,设计出一种置于航天服大腿根部的小气塞。在这个“接入口”,有两个能够向外打开的瓣膜和一个小气阀。通过这个出口,可实现可充气“尿片”的传递,让宇航员自行更换尿片,并把排泄物排出航天服。“我从来不觉得将排泄物暂留在航天服内是什么好主意,”他强调道,“所以一直在想怎么才能让排泄物轻而易举地从航天服中排出。医生能够通过动脉中的导管更换心脏瓣膜,那么处理一点点粪便也应该没什么问题。”

  另一由内科医生、工程师和牙医组成的三人设计团队获得了第二名。他们的“气动航天服废弃物处置系统”方案能够让排泄物离开宇航员的身体,转移到航天服的不同部位。团队负责人若泽·冈雷斯说:“所需气体可通过宇航员被动或主动挪动身体产生。”第三名则被产品设计师雨果·谢利斩获,他设计的方案能够在航天服内对排泄物进行储存和消毒。

  社会大众的这些创意,为NASA的科学家提供了现实可行的解决方案和设计灵感。如果未来人类要前往火星,那么就必须尽快打造新型的航天服排泄物处理系统。NASA“猎户座”载人飞船宇航员生存系统项目总监达斯廷·戈默特认为,获得前三名的设计方案各有特色,如果将这些奇思妙想加以组合或改进,就能打造出适应长期滞留太空之需的“排便”系统。事实上,这些方案在地球上也有用武之地,譬如可以安全有效地清理卧床患者的排泄物。

  看来宇航员的太空生活并没有我们想象中的那么轻松自在,他们在太空中面临着许多困难和障碍,甚至在地球上简简单单的如厕,也会给他们造成不小的麻烦,也许这就是人类为了探寻宇宙奥秘所必须付出的代价吧!

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