價值 2300 萬美(měi)元（約 1.5 億元人民币）、3D 打印钛金(jīn)屬零件、男(nán)女通用(yòng)，這(zhè)些(xiē)标簽屬于國際空(kōng)間站(zhàn)即将裝配的高(gāo)科技産品：新一代太空(kōng)馬桶。

美(měi)國東部時(shí)間 10 月 2 日晚上(shàng) 9:16，美(měi)國航空(kōng)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(kōng)間站(zhàn)發射補給任務，執行本次任務的天鵝座貨運飛(fēi)船(chuán)載有約 3.6 噸的科研物資、機組人員補給和(hé)相關設備，其中最值得關注的任務之一，就是把這(zhè)樣一台 “史上(shàng)最貴” 的太空(kōng)馬桶送到(dào)空(kōng)間站(zhàn)，讓宇航員們展開(kāi)測試。

這(zhè)套馬桶的官方稱呼，其實叫做通用(yòng)廢物管理(lǐ)系統(UWMS)，它重 45 公斤，高(gāo) 71 厘米，大(dà)約是目前空(kōng)間站(zhàn)所使用(yòng)俄制馬桶的一半，此外(wài)，舊馬桶更适合男(nán)性，而新馬桶的設計(jì)也(yě)更多考慮到(dào)了(le)女性航天員的需求。

NASA 方面表示，這(zhè)隻是升級的一部分，在國際空(kōng)間站(zhàn)上(shàng)安裝的新馬桶不僅能(néng)使空(kōng)間站(zhàn)宇航員們的生活變得更好(hǎo)、更高(gāo)效，該系統還将裝配在新的獵戶座飛(fēi)船(chuán)上(shàng)進行測試，這(zhè)是阿耳忒彌斯登月計(jì)劃乃至火星登陸計(jì)劃的一部分，新馬桶将更适合在未來(lái)的深空(kōng)探測任務中使用(yòng)。

        圖｜新一代太空(kōng)馬桶：通用(yòng)廢物管理(lǐ)系統  （來(lái)源：NASA）

暗藏黑科技，能(néng)讓尿變水(shuǐ)

宇航員們如何在太空(kōng)中使用(yòng)衛生間？這(zhè)是人類步入太空(kōng)時(shí)代以來(lái)的老(lǎo)問題。

由于重力缺失，人類最基本的排洩過程變得極具挑戰性。而随着下(xià)一次 SpaceX 的載人飛(fēi)行，空(kōng)間站(zhàn)的人口将從(cóng) 6 人增加到(dào) 7 人，商業載人航天也(yě)呈現(xiàn)出常态化趨勢，太空(kōng)馬桶的使用(yòng)頻次随之增高(gāo)，宇航員們在太空(kōng)計(jì)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。

那麽太空(kōng)馬桶是怎麽工(gōng)作(zuò)的呢(ne)？沖水(shuǐ)當然是不可能(néng)的，在沒有重力的情況下(xià)，太空(kōng)馬桶利用(yòng)的是強勁氣流吸力，将尿液和(hé)糞便從(cóng)身體中抽離并吸入适當的容器中保存處理(lǐ)，防止滿天“飛(fēi)翔”。

UWMS 開(kāi)發的一個新功能(néng)是打開(kāi)馬桶蓋時(shí)自(zì)啓動吸力氣流，這(zhè)還有助于馬桶氣味控制。根據宇航員們的調研需求，它擁有一個更符合人體工(gōng)程學的設計(jì)，減少了(le)清理(lǐ)和(hé)維護時(shí)間，與目前的空(kōng)間站(zhàn)馬桶相比，它的體積小(xiǎo)了(le) 65％，重量輕了(le) 40％，裝配由柯林(lín)斯航空(kōng)航天公司開(kāi)發的 3D 打印钛金(jīn)屬雙風(fēng)扇分離器，産生強大(dà)的氣流代替重力，将宇航員的尿液和(hé)糞便吸進馬桶，同時(shí)新材料足以抵抗尿液預處理(lǐ)中所有的酸性物質，大(dà)幅提升馬桶的耐腐蝕和(hé)耐用(yòng)性，減少在預定計(jì)劃之外(wài)進行維護的成本。

宇航員可使用(yòng)特殊形狀的漏鬥和(hé)軟管吸尿，漏鬥可以方便地進行更換或取出進行消毒，并能(néng)使用(yòng)坐(zuò)便器進行排便。漏鬥和(hé)坐(zuò)便器可以同時(shí)使用(yòng)，這(zhè)滿足了(le)很(hěn)多女航天員的需求，UWMS 的坐(zuò)便器看(kàn)起來(lái)口徑很(hěn)小(xiǎo)，但(dàn)在微重力條件下(xià)非常理(lǐ)想，它提供了(le)理(lǐ)想的身體接觸面，以确保一切盡在掌控之中。

由于每個人在如廁時(shí)的姿勢都不一樣，宇航員的一緻反饋表明(míng)傳統的大(dà)腿綁帶很(hěn)麻煩，UWMS 配套設施還包括了(le)腳約束和(hé)把手裝置，供宇航員使用(yòng)，以防身體漂浮，另外(wài)，衛生紙(zhǐ)、濕巾和(hé)手套會(huì)被收集到(dào)防水(shuǐ)袋中集中處理(lǐ)。

花(huā)在如廁上(shàng)的時(shí)間越少，宇航員們就有更多的時(shí)間集中在科研和(hé)其他(tā)高(gāo)度優先的太空(kōng)任務上(shàng)。

最高(gāo)大(dà)上(shàng)的改進是，UWMS 集成了(le)最先進的尿液回收功能(néng)。是的，宇航員的尿液排出後，經過這(zhè)個馬桶過濾和(hé)處理(lǐ)，可以變爲水(shuǐ)。

美(měi)國宇航員傑西卡 · 梅爾（Jessica Meir）解釋說：“我們回收了(le)空(kōng)間站(zhàn) 90% 的水(shuǐ)基液體，包括尿液和(hé)汗液。我們試圖在空(kōng)間站(zhàn)上(shàng)做的是模拟地球自(zì)然水(shuǐ)循環的元素，最大(dà)化回收水(shuǐ)資源。說到(dào)我們在國際空(kōng)間站(zhàn)的尿液，今天的‘咖啡’或許就是明(míng)天的咖啡！”

UWMS 的核心設計(jì)理(lǐ)念是可以很(hěn)容易地集成到(dào)不同的航天器和(hé)生命支持系統中，在宇航員長時(shí)間生活和(hé)工(gōng)作(zuò)的太空(kōng)艙平台上(shàng)，UWMS 裝有尿液預處理(lǐ)劑量泵 / 預處理(lǐ)質量指示裝置，能(néng)把經過預處理(lǐ)的尿液送入再生系統，回收水(shuǐ)分供進一步使用(yòng)。

其中應用(yòng)到(dào)的一項黑科技爲氨的電化學氧化技術，能(néng)将人類尿液中的尿素轉化爲氨，氨是由氮和(hé)氫組成的小(xiǎo)分子，氧化反應則可以分解這(zhè)些(xiē)分子，氨氧化可用(yòng)于太空(kōng)中生産氮氣、水(shuǐ)和(hé)能(néng)量，是未來(lái)長期太空(kōng)任務的關鍵需求。

空(kōng)間站(zhàn)上(shàng)的再生生命支持系統至關重要，它可以大(dà)大(dà)減少從(cóng)地球上(shàng)發射補給水(shuǐ)的需求。未來(lái)的登月任務需要搭建月球基地，并長時(shí)間停留，而往返火星的任務則需要大(dà)約兩年時(shí)間，而且幾乎沒有機會(huì)補充水(shuǐ)源。UWMS 的設計(jì)目标是在人類首次登上(shàng)火星執行任務之前達到(dào) 98% 的回收率，空(kōng)間站(zhàn)是目前唯一一個驗證長期生命支持和(hé)回收系統的太空(kōng)試驗地點。

NASA 官方表示，在太空(kōng)中，水(shuǐ)循環的每一部分都是生存的關鍵，而技術的進步可以對(duì)任務的效率和(hé)成功産生關鍵性的影響。當我們準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，生命支持系統将在保持宇航員健康和(hé)安全方面發揮重要作(zuò)用(yòng)，因爲他(tā)們生活、工(gōng)作(zuò)和(hé)學習的距離比以往任何時(shí)候都要遠。

目前，固體廢物保存在單獨的水(shuǐ)密袋中，然後被壓縮在一個可移動的糞便儲存罐裏，少量的糞便壓縮樣本會(huì)被送回地球進行評估研究，大(dà)多數壓縮便便，則在返回地球大(dà)氣層時(shí)燃燒殆盡，UWMS 系統針對(duì)糞便排洩物尚沒有深度處理(lǐ)功能(néng)，但(dàn)美(měi)國宇航局正在研究這(zhè)一能(néng)力。

現(xiàn)在國際空(kōng)間站(zhàn)上(shàng)美(měi)國太空(kōng)倉的廁所還是 1990 年代設計(jì)的，這(zhè)種全新的 UWMS 系統将替換掉已經近 30 年的老(lǎo)太空(kōng)馬桶型号，直到(dào)空(kōng)間站(zhàn)使用(yòng)壽命結束，期間将不斷收集性能(néng)和(hé)可靠性數據，爲進一步改進做參考。

圖｜工(gōng)作(zuò)人員測試驗收 UWMS 系統（來(lái)源：NASA）

未來(lái)太空(kōng)廁所的新樣版

UWMS 太空(kōng)馬桶主要由 AES LR 項目提供資金(jīn)，這(zhè)是 NASA 先進勘探系統（AES）物流減少（LR）項目的子任務之一，其目标是開(kāi)發一個緊湊的廁所系統，該系統未來(lái)可用(yòng)于多種外(wài)太空(kōng)飛(fēi)行器和(hé)栖息地。

UWMS 的集成和(hé)國際空(kōng)間站(zhàn)項目規劃始于 2015 年，并同步與國際空(kōng)間站(zhàn)有效載荷辦公室和(hé)獵戶座計(jì)劃深入合作(zuò)，研發優化持續到(dào) 2020 年初，這(zhè)麽貴的馬桶其實不隻一台。

要在空(kōng)間站(zhàn)上(shàng)投入使用(yòng)的是 UWMS 1 号；而 UWMS 2 号将被開(kāi)發安裝在獵戶座飛(fēi)船(chuán)上(shàng)參與登月任務，該飛(fēi)船(chuán)可以承載 4 名宇航員，是人類重返月球，并接着征服火星的關鍵航天器，UWMS 團隊還将與獵戶座計(jì)劃的宇航服（LEA）團隊合作(zuò)，開(kāi)發應急尿液和(hé)糞便廢物收集系統，如果 UWMS 發生故障，則可以使用(yòng) LEA 應急系統收集排洩物。

兩套 UWMS 裝置的計(jì)劃均已完成。UWMS 1 号于 2019 年 6 月交付，預計(jì) 2020 年底正式投入使用(yòng)；2019 年 12 月，UWMS 2 号也(yě)已交付，相關測試也(yě)會(huì)在 2020 年晚些(xiē)時(shí)候進行。就目前來(lái)看(kàn)，UWMS 的交付、集成和(hé)測試計(jì)劃都在如期推進。

       圖｜NASA 的 “月球廁所挑戰賽” 宣傳圖（來(lái)源：NASA）

對(duì)于太空(kōng)馬桶的研究，NASA 還在通過資金(jīn)贊助的方式尋求更多民間創意力量。2020 年 6 月份，NASA 啓動了(le)一項 “月球廁所挑戰賽” 活動，其錦标賽實驗室與一家名爲 HeroX 的初創公司合作(zuò)，組織了(le)太空(kōng)馬桶設計(jì) “衆包” 活動。

NASA 呼籲國際社會(huì)提出更多緊湊輕便型馬桶的新穎設計(jì)理(lǐ)念，尋找一種更小(xiǎo)、更高(gāo)效且能(néng)夠在微重力和(hé)月球重力下(xià)工(gōng)作(zuò)的下(xià)一代設備。

到(dào) 2024 年重返月球是一個雄心勃勃的目标，“月球廁所挑戰賽”旨在激發國際社會(huì)的想法，号召不同領域的太空(kōng)探索者、工(gōng)程師和(hé)科學家們，以不同于傳統航空(kōng)工(gōng)程的思維方式來(lái)解決問題，總獎金(jīn)爲 3.5 萬美(měi)元，将在提交 “技術” 類别中前三名設計(jì)的團隊之間共享。

新一代太空(kōng)馬桶的設計(jì)應節水(shuǐ)，并有助于保持着陸器内的環境沒有異味和(hé)其他(tā)污染物。完整的解決方案将能(néng)夠爲兩名宇航員提供至少 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、月經等）和(hé)不同性别的使用(yòng)者（男(nán)女），盡管收集嘔吐物的首選方法是嘔吐袋，但(dàn)是可以收集嘔吐物且無需機組人員将頭 “埋在” 廁所的設計(jì)将獲得加分。

還有更多規格和(hé)性能(néng)設計(jì)細節要求，比如：

* 占用(yòng)空(kōng)間不大(dà)于 0.12 平方米；

* 消耗不到(dào) 70 瓦的功率；

* 低(dī)于 60 分貝的噪音(yīn)水(shuǐ)平控制；

* 可承受 58 至 77 英寸高(gāo)，107 至 290 磅體重的用(yòng)戶；

* 可同時(shí)排尿和(hé)排便；

* 每次使用(yòng)可收集 1 升尿液，保障每位乘員每天平均使用(yòng) 6 次；

* 每次排便可容納 500 克糞便，保障每位船(chuán)員每天平均使用(yòng) 2 次；

* 穩定排洩物，避免産生異味和(hé)微粒；

* 方便乘員使用(yòng)廁所衛生用(yòng)品，例如廁紙(zhǐ)，濕巾和(hé)手套；

* 兩次清潔之間的間隔時(shí)間爲 5 分鐘(zhōng)或更短，便于清潔和(hé)維護；

此外(wài)，馬桶将在标稱航天器環境中運行，氣壓爲 14.7 psia 或 8.2 psia，但(dàn)其存儲系統在艙外(wài)可能(néng)會(huì)遇到(dào) 0 psia（真空(kōng)）的運行環境，在廁所系統出現(xiàn)故障的情況下(xià)，太空(kōng)馬桶系統的設計(jì)要确保收集的所有廢料均安全保存，機組人員沒有暴露于尿液、糞便或其他(tā)廢物、氣體以及真空(kōng)之下(xià)，各項指标要求十分精确且嚴苛。

圖｜太空(kōng)馬桶的關鍵組成部件（來(lái)源：NASA）

NASA 的“太空(kōng)馬桶自(zì)由”

新型太空(kōng)馬桶 UWMS 系統的交付，對(duì)于美(měi)國載人航天來(lái)講算(suàn)是一個不小(xiǎo)的進步。

一方面，NASA 實現(xiàn)了(le) “太空(kōng)馬桶自(zì)由”。2007 年國際空(kōng)間站(zhàn)美(měi)國艙段廁所出現(xiàn)故障，NASA 曾“斥巨資” 從(cóng)俄羅斯訂購了(le)一台太空(kōng)馬桶，耗資約 1900 萬美(měi)元（約合 1.3 億元人民币），NASA 聲稱，從(cóng)俄羅斯買太空(kōng)馬桶比自(zì)己造更便宜。但(dàn)是俄羅斯太空(kōng)廁所模塊中笨拙的操作(zuò)方式長期以來(lái)困擾着美(měi)國宇航員，而且大(dà)小(xiǎo)故障不斷。

2008 年 5 月，美(měi)國購買的俄羅斯太空(kōng)馬桶氣液分離器泵出現(xiàn)故障，機組人員無法修複相關部件，隻能(néng)對(duì)其進行更換。于是，俄羅斯工(gōng)程師将備用(yòng)的氣液分離器組裝泵，加急送往佛羅裏達州 NASA 肯尼迪航天中心；在那裏，它被裝在發現(xiàn)号航天飛(fēi)機上(shàng)并發射到(dào)國際空(kōng)間站(zhàn)；而在此期間，宇航員們隻能(néng)使用(yòng)手動模式進行尿液收集，如果艙内衛生控制不好(hǎo)，很(hěn)可能(néng)進化出緻病細菌，來(lái)回一折騰，成本可就不止 1.3 億元了(le)。

2019 年 2 月，國際空(kōng)間站(zhàn)美(měi)國艙段廁所再次出現(xiàn)故障，美(měi)國宇航員收集了(le)超過 10 升從(cóng)衛生間流出的液體。而現(xiàn)在美(měi)國自(zì)主研發的 UWMS 系統，雖然一套價值 1.5 億元，但(dàn) NASA 對(duì)整體的規格、品質和(hé)性能(néng)的要求都有比較全面的把控，長期來(lái)看(kàn)，能(néng)大(dà)幅降低(dī)維護成本，擺脫對(duì)國外(wài)的技術依賴。

另一方面，文(wén)明(míng)探索太空(kōng)和(hé)外(wài)星球，不随地留下(xià)大(dà)小(xiǎo)便。根據 NASA 的官方記錄，在 1969 年阿波羅 10 号飛(fēi)行任務中，一塊便便的碎片逃脫并漂浮在狹窄的機艙中，給宇航員造成恐怖印象。在太空(kōng)競賽時(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(zhè)是一個光榮的便便袋，爲了(le)确保袋子不會(huì)膨脹成充滿氣體造成危險，宇航員們必須添加特殊的殺菌劑才能(néng)分解糞便和(hé)尿液。

在幾次阿波羅飛(fēi)行任務中，宇航員在月球表面留下(xià)了(le) 96 袋糞便、尿液和(hé)嘔吐物。NASA 估計(jì)，未來(lái)執行火星任務需要管理(lǐ)至少約 600 磅的固體廢物，将廢物留在其他(tā)星球上(shàng)存在污染的風(fēng)險，科學家們擔心，人類的廢物可能(néng)最終對(duì)外(wài)星生态系統造成破壞，因此有一個新的太空(kōng)馬桶來(lái)保存處理(lǐ)至關重要。

NASA 爲此還提出了(le) “行星保護” 的基本指導原則。本質上(shàng)，這(zhè)個想法是将人類的細菌和(hé)垃圾留給人類自(zì)己，尤其是在未來(lái)太空(kōng)旅行變得司空(kōng)見慣的情況下(xià)。

到(dào) 2024 年，在月球上(shàng)大(dà)小(xiǎo)便會(huì)是什(shén)麽樣子？UWMS 系統可能(néng)會(huì)帶來(lái)人類太空(kōng)旅行史上(shàng)回收效率最高(gāo)、也(yě)最衛生的如廁體驗。