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宇航员尿液竟成月球最热门用品:既能回收饮用又能建造基地

科学动态 发布时间:2020-05-24 09:39:07 发布人:admin 热度:

众所周知,尿液是人类的一种排泄物,大多数都会被视作废弃物直接抛弃。但其中包含着多种化学物质,比如水、钾、钙、尿素、镁、尿酸、磷酸盐和硫酸盐等等,而且这些物质可以从中分离出来,制造肥料、药物甚至火药。但是在月球上,尿液除了回收其中的水份之外,还有其它用途吗?

自从美国总统特朗普为美国宇航局(NASA)制定了2024年前重返月球的计划以来,该机构及其合作伙伴一直在努力实现这一目标。就在上个月底,NASA与三家公司签订了研发载人登月飞行器的合同。但登月仅仅是个开始,NASA还计划在2020年之前建立一个永久性的月球基地,并将其作为前往火星的跳板。

如果宇航员要在月球上长时间生活,他们就必须弄清楚如何在月球表面的风化层上生活。如果一切物资都从地球运送的话就太昂贵了,这意味着他们将不得不借助月球表面的有限资源进行创新。月球上的泥土是一种很好的建筑材料,而且月球南极的水冰可以用于制造火箭燃料。但有一点你可能猜不到,其中最热门的日用品很可能就是宇航员自己的尿液。

宇航员尿液竟成月球最热门用品:既能回收饮用又能建造基地

尿液的特殊用途:地质聚合物

今年年初的时候,一个欧洲研究团队证明,人类尿液中含量仅次于水的第二种常见化合物——尿素,可以与月球上的泥土混合成为一种建筑材料。这种材料是一种地质聚合物(或者土工聚合物),它具有与混凝土相似的属性,有可能用于建造月球的着陆点、栖息地和其它基础设施。

在地球上,地质聚合物经常被用作传统混凝土的环保替代品。混凝土的主要成分之一是水泥,制造过程需要22度的高温,并且会释放大量的二氧化碳。但是地质聚合物根本不需要太多能量,而且它使用的不是水泥,而是岩石粉末或者煤炭燃烧产生的煤灰粉末。当它与水和某些活性化合物混合时,就会产生一种类似于腻子一样的物质,可以在干燥之前塑造成任何需要的形状。

用砖建筑的效率太低,而且会限制建筑的种类,但3D打印机可以自主建造更复杂的栖息地。因此月球上的大多数基础设施可能将由工业3D打印机完成。月球表面的风化层与飞灰有相似的化学成分,这使得地质聚合物成为月球上一种极具吸引力的建筑材料选择。但地质聚合物也有缺点,它需要大量的水,这样才能通过3D打印机的喷嘴流出。

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欧洲航天局先进概念研究团队成员、该研究的合著者之一马里斯?安霍夫说:“月球表面的水是非常非常宝贵的资源,所以我们这项研究的主要目标之一就是如何减少生产地质聚合物所需的水量。”

高级减水剂能够用来降低混凝土和地质聚合物的用水量,并且保持其流动性。在地球上,高级减水剂通常使用的是萘和聚羧酸,但是安霍夫和同事们发现,尿素的效果也一样好,而且很容易在月球上找到。与其过滤宇航员尿液中的废弃物并回收废水,还不如将尿液储存在一个容器中,收集其中的尿素。

为了验证这一想法,研究人员将人造尿素粉末与月球风化层的模拟物混合,然后在3D打印机中模拟使用这种材料。之后,他们将结果与传统地质聚合物进行了比较。挪威东福尔大学的材料科学家、该研究的合著者之一安娜?莉娜?基尼克森说:“这种材料表现相当不错,尤其是在避免裂纹形成方面。”

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尿素打造的地质聚合物还可以充当防辐射屏障

这种以尿液为原材料的聚合物还可以帮助宇航员在月球表面建造庇护所,使他们免受危险的电离辐射。月球没有大气层或强磁场来阻挡太阳辐射,这意味着宇航员在月球表面长期停留会增加患癌风险。地质聚合物已经成为地球上存储核废料的候选材料之一,因此同样可以保护月球上的宇航员。但是,在月球上它不是为了防止辐射从建筑物中泄漏出来,而是阻止辐射进入建筑物。

欧洲航天局正在进行一项后续研究,来确定以尿素为原材料的地质聚合物是否能有效地屏蔽辐射。该机构还需要证明是否能够在月球上制造这种材料。在他们最近的研究中,安霍夫和同事们在室温下的露天环境中制造出了地质聚合物。但在月球表面的低重力真空环境下,3D打印面临的挑战更高。地质聚合物还需要能够承受月球260到-280华氏度之间的巨大温度波动。

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不同的声音:没那么多人撒尿

美国中佛罗里达大学的行星科学家、月球资源专家菲尔?梅茨格说,无论是否包括尿素,地质聚合物都有希望替代烧结方法,而烧结是科学家们正在探索的另一种月球建造方法。这种方法需要借助大量的能量爆破风化层,使其熔化在一起。

但其中的问题在于,在月球上很难获得能量,而建造大型建筑需要兆瓦级的太阳能发电厂,并将其所有电力供应给烧结设施。以地质聚合物为基础的建筑更容易规模化,但梅茨格怀疑尿液最终是否会成为月球上首选的高级减水剂。他认为,这种聚合物可能会从地球运输或者从月球冰中开采出来。

梅茨格说:“我不知道尿液的产量是否足够。我只是不认为会有那么多人在月球上撒尿。”NASA也不太可能向月球发射装满尿液的火箭来弥补这一不足。

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尿液的其它用途:种植可能更适合

除了制造“水泥”,宇航员的尿液还有很多其它用途。一种选择是回收并饮用它,就像宇航员在国际空间站所做的那样。尽管月球南极有结冰的水,但目前还不清楚提取和使用这些水的难度有多大。其中还含有汞和硫化氢等有毒物质,这意味着必须经过净化才能供人类安全饮用。

即使人类最终饮用的是月球水而不是回收的尿液,用宇航员的尿液作为地质聚合物可能仍然不是最好的选择。相反,它可能更适合种植粮食。尿素能够分解成氨和二氧化碳,而且某些类型的微生物擅长将氨转化为硝酸盐,这是一种常见的肥料。

这意味着它可以在独立的生命支持系统中使用,从尿液中回收的水和尿素用作蔬菜种植的肥料。德国航空航天中心的研究人员多年来一直在人类尿液中种植蔬菜。2018年年底,他们还发射了一颗卫星,在地球轨道上测试那种以尿液为肥料的迷你温室模型。

宇航员尿液竟成月球最热门用品:既能回收饮用又能建造基地

在贫瘠的月球环境中,每一滴液体都是宝贵的资源。因此,无论是用作建筑材料、肥料还是生命维持系统,在人类冒险进入太阳系的过程中,尿液似乎都将发挥重要的作用。(作者/刚)

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