未来的宇航员可以使用这种类似沙丘的装置安全地饮用自己的尿液

未来的宇航员在穿越贫瘠的外星景观时，可能很快就不用再担心缺水或不舒服地在自己的尿液中行走了，这要归功于一种新的尿液过滤系统，该系统灵感来自《沙丘》。这种小型背包式装置由康奈尔大学的研究人员发明，今天在《太空技术前沿》杂志上详细介绍，它可以帮助探险者进行更长时间的太空任务，而无需携带笨重的水储备。它还可以帮助宇航员改进目前处理生物废物的方法，这些废物基本上相当于一个大号的成人尿布。

这种新设备将使用一根小型硅胶导管立即识别并吸收宇航员的尿液。机载集成反渗透和正渗透系统将过滤掉毒素，并将剩余液体储存为安全的饮用水。如果成功，研究人员表示，这种新型过滤系统将为宇航员提供“持续的饮用水供应”，使他们能够探索周围环境，而不必携带沉重的水储备。这种简化的移动性可能会派上用场，尤其是当 NASA 计划在未来几年进行几次载人登月任务时，这些任务将把科学探索放在首位。

宇航员尿液过多，水分不足

太空行走期间方便的过程并不光鲜。目前的宇航服采用所谓的“最大吸收服”（MAG），可以吸收约 300 倍于自身重量的液体。尽管 MAG 的名称很简略，但它本质上是一种吸水性极佳的尿布，可以容纳约两升尿液、血液和粪便。这听起来可能很多，但你得想想太空探险者可能要花多少时间远离厕所。宇航员预计每天要小便七次左右，而一次典型的维修或科学研究太空行走平均持续六个半小时。（超过八小时的太空行走也并不罕见）。

坦白地说，许多宇航员并不乐意穿着松垮的臀部进行这项至关重要、往往风险很高的工作。在某些情况下，研究人员表示，宇航员选择吃少量、低热量的食物，以减少宇航服中产生的废物量。但这种策略会同时削弱他们发挥最佳精神和体能的能力。长时间穿着肮脏的 MAG 尿布也会增加皮肤刺激甚至感染的几率。

研究人员写道：“这无疑不利于最佳表现或维持健康。”

但尿布湿了只是问题的一半。太空行走是一项体力要求很高的操作，如果宇航员没有得到适当的补水，很容易导致脱水。目前的宇航服配备了一个宇航服饮料袋 (IDB)，里面只装了 32 盎司的水。过去对宇航员应对太空中假设的探测车故障的模拟结果是宇航员消耗了 50%-100% 的分配水量。而这还只是现在的情况。未来计划的阿尔忒弥斯月球和火星任务将要求宇航员在太空行走和探索任务上花费比现在更长的时间。他们需要获得更多的水才能在这些环境中生存。

“宇航员目前在宇航服饮料袋中只剩下一升水，”威尔康奈尔医学院和康奈尔大学研究员索菲亚·埃特林说。“这对于计划中的长期月球太空行走来说是不够的，太空行走可能持续 10 个小时，在紧急情况下甚至可能长达 24 小时。”

康奈尔大学的研究人员认为，他们可能已经找到了一种解决方案，即一种原型“尿液收集装置”（UCD），可以同时解决这两个问题。该装置可以吸收宇航员排出的尿液，进行过滤，然后添加营养物质以产生可饮用水。值得注意的是，该过程不适用于粪便或汗液。总而言之，过滤 100-500 毫升的典型尿液的整个过程应该在五分钟内完成。如果这些听起来很熟悉，那可能是因为该装置在概念上听起来与弗兰克·赫伯特 1965 年的科幻小说《沙丘》中使用的“蒸馏服”相似。在这种情况下，小说中的弗雷曼人从头到脚都穿着织物和管子，能够将水分转化为非常有价值的水。相比之下，UCD 就小得多了。该装置形状像一个硬质背包，面积为 38X23，可增加 8 公斤（17 磅）的额外重量。

尿液过滤装置的工作原理

实际上，新的过滤系统将用多层织物取代以前的尿布，以便尿液轻松通过。与旨在吸收大量尿液的先前 MAG 系统不同，UCD 需要做相反的事情，尽可能少地吸收植物液体。使用新系统的宇航员将佩戴性别特定的硅胶外部导管，类似于一些运动员戴在生殖器上的“杯子”。附着在吸水凝胶上的 RFID 标签使用湿度检测器来了解杯子何时充满液体。当杯子装满时，会触发真空泵将尿液移入过滤装置。

尿液开始排出后，会穿过一层抗菌织物层，然后被泵出，以减少与宇航员皮肤的接触。然后，该设备使用集成的正向和反向渗透系统从尿液中过滤出盐和其他溶质。最终产生的纯净水富含电解质，并被泵回宇航服的饮料袋中，宇航员可以喝一口。研究人员表示，过滤系统将尿液回收为水的效率为 85%，水回收率至少为 75%。整个过程由 20.5 伏电池供电。

UCD 的初始原型设计已经在进行中。康奈尔大学生理学和生物物理学教授、研究主要作者克里斯托弗·梅森 (Christopher Mason) 表示，该设备可以在模拟微重力条件下进行测试，类似于未来阿尔特弥斯宇航员可能经历的条件。虽然该设备确实增加了额外的重量和电池考虑因素，可能会使宇航服变得复杂，但研究人员认为，在卫生和储水方面的权衡“非常值得”。

这其实并不是第一次有人尝试实现《沙丘》式蒸馏服的某些元素。就在上个月，YouTube 频道 Hacksmith Industries 的工程师们结合使用个人防护装备 (PPE) 和备用电脑零件，制作了一套能够有效将穿着者的汗水转化为饮用水的套装。在这种情况下，工程师们使用嵌入在套装中的热电冷却器将周围的水分转化为液体。Hacksmith 原型和 UCD 过滤装置都不是《沙丘》中套装类型的一一对应，但它们都证明了曾经只存在于科幻文学密集页面中的理论设计可以在重塑现实世界的科学事业中发挥作用。