为什么要循环
水很重。一个人每天需要数升水(饮用、卫生、食品复水)。
对长期驻留的空间站来说,如果所有水都靠地面运送,长期的补给压力和经济成本都难以承受。
因此,闭环的水循环系统是长期驻留的关键技术之一。
收集来源
- 航天员的尿液;
- 舱内的冷凝水(呼吸和出汗产生的水汽,通过湿度控制系统冷凝收集);
- 卫生用水(洗手、刷牙等);
- 部分设备产生的废水。
处理流程
以国际空间站的水处理系统为例,核心流程大致是:
一、预处理:添加化学药剂抑制微生物生长,防止尿液在储存过程中分解产生沉淀和氨气。
二、蒸馏/蒸发:把水从尿液中分离出来。国际空间站采用的是旋转蒸馏技术——在低压下让水蒸发(降低沸点,节省能量),留下浓缩的废液。
三、多级过滤与净化:
- 微粒过滤;
- 活性炭吸附有机物;
- 离子交换去除溶解性离子;
- 催化氧化去除残留的有机污染物。
四、消毒:加入微量碘或使用其他方式抑制细菌。
五、水质监测:持续检测,确保符合饮用水标准。
浓缩废液怎么处理
蒸馏后剩下的高浓度盐水(brine),通常被收集起来。
一部分可以作为货运飞船的配重装填,随飞船再入大气层烧毁;或者在轨储存等待处理。
氧气的循环
与水循环配套的还有空气循环:
二氧化碳去除:用分子筛或其他吸附材料把 CO₂ 从舱内空气中分离出来。
氧气补充:可以通过电解水制氧(2H₂O → 2H₂ + O₂),产生的氢气可以:
- 直接排放;
- 或者与 CO₂ 反应,通过萨巴蒂尔反应(CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O)重新生成水,进一步提高物质循环率。
闭合度的意义
"闭合度"指物质在系统内循环再利用的比例。
水循环的闭合度目前可以达到较高水平(90% 以上),但氧气和食物的闭环仍很困难——食物必须持续补给,因为物质循环无法完全闭合(存在损耗和不可回收的废物)。
地面应用
这些水处理技术在地球上也有应用价值:
- 偏远地区、灾区的应急供水;
- 缺水地区的高效水处理;
- 军事和野外作业。
高效的、小型化的、能处理高污染水源的水处理系统,在地面同样稀缺。
说明:本文为空间生命保障技术的公开知识整理。