宇宙飛行士は地球の外でどこから水を手に入れるのでしょうか？

中国航空科学産業公司第二科学院第206研究所研究棟の男子用トイレの小便器の前には、採尿バケツが3つ設置されている。そこには「科学実験に協力してください」というメモが書かれていました。バケツには防腐剤が加えられているが、それでも時々揮発性の臭いが漂ってきて、人々は鼻を押さえて息を止めてしまう。

5月10日、天舟4号貨物宇宙船は順調に打ち上げられた。船には第二アカデミー第206研究所が開発したカルシウム除去装置、尿フィルター装置、潤滑水袋装置などの製品が搭載されていた。これらの製品は、宇宙ステーションの環境制御および生命維持のための尿処理サブシステムの消耗品であり、神舟14号の宇宙飛行士の6か月間の軌道上生活を保証するために使用されます。

天河コアモジュールの打ち上げ後、技術的に最も難しく、最も複雑なシステムと評された尿処理システムは、軌道上で良好な性能を発揮した。神舟13号の宇宙飛行士の乗組員が軌道上のミッションを無事完了するまでに、合計1,700リットルの尿が処理され、1,400リットル以上の蒸留水が生成され、宇宙飛行士の軌道上の生活に不可欠なリサイクル水が提供されました。

水は来ては去る

宇宙ステーションは地球の外に人類が作った小さな世界です。宇宙船によって確立される輸送接続は非常に限られています。空の生命に必要なあらゆる物質は、蟻が家を移動するのと同じように、一つずつ旅をしながら空に運ばれなければなりません。人類は地球外に地球と同じような生態環境を作り上げ、一滴の水も逃さず保持しようと努めてきました。

宇宙飛行士が軌道上に滞在する期間が 1 か月未満の場合、水などの物資の需要は比較的少なく、地上で完全に供給できます。中国の宇宙計画は宇宙ステーションの時代に入り、少なくとも10年間は​​軌道上での運用を行う予定だ。物理・化学再生生命維持システムを構築し、酸素や水などのリサイクルを実現し、長期宇宙活動に必要な地上物資を大幅に削減します。

宇宙ステーションはどこから水を得るのでしょうか？貨物宇宙船は、宇宙飛行士に宇宙での生存のための「原始的な物資」を供給するために、定期的に水袋を運びます。

水の使い方は？宇宙飛行士一人当たり毎日2.5リットルの水を飲む必要があると推定されています。さらに、宇宙飛行士の酸素消費量を満たすために、宇宙ステーション内の酸素も水の電気分解によって供給する必要があります。

水の循環を実現するにはどうすればいいですか?宇宙飛行士は体内の代謝を通じて尿、汗、水蒸気の形で水分を排出しますが、その大部分は尿が占めています。

人間の代謝によって生成された水は、宇宙ステーション内の水処理サブシステムと尿処理サブシステムを通じて浄化され、宇宙ステーション内の水資源のリサイクルを実現します。現在、宇宙ステーション内の水回収率は95％以上、水利用率は83％以上であり、上昇貨物宇宙船への給水量が大幅に削減されています。

「尿処理システムのピーク電力は300ワットで、ほとんどの家庭用電気ケトルの電力よりも低い」と、第206研究所宇宙電気機械研究室の崔所長は語った。

次の10年に向けて

尿処理サブシステムは、収集された3日分の尿を10〜12時間で処理することができ、これは苦労して達成された成果です。主要技術に取り組むにあたり、チームは尿処理における技術的問題を解決するための特別な研究作業を実施し、尿中のカルシウム結晶沈殿の問題もその問題の1つであった。

無重力環境では、体内のカルシウム損失が増加します。尿中のカルシウムが溶解度を超えると、結晶化して熱交換器、バルブ、フィルターなどの製品を詰まらせます。これは蒸留と濃縮の原理に基づくシステムにとって致命的です。

尿処理システムにおけるカルシウムの結晶化を抑制するために、チームは協力し、多くの関係者と協議しました。最終的に、彼らはボイラー水の軟化からヒントを得て、上海の復旦大学と天津の南開大学の材料専門家の指導の下、カルシウムを除去するための2つの材料を選択しました。さまざまな指標を比較した後、彼らは最良のものを選択しました。現在、宇宙ステーションの尿処理システムは、6リットルの尿から5リットルの蒸留水を抽出でき、濃縮された尿の残留物にはカルシウム結晶が形成されません。

「科学研究は決して順風満帆にはいかないだろう。」崔所長は、再生環境制御と生命維持は、206研究所が宇宙工学の分野で切り開いた新たな道であると述べた。過去 10 年間にわたり、チームは山を切り開き、川に橋を架け、次々と重要な技術を習得してきました。チームには若いメンバーがどんどん加わり、常に活気のある雰囲気を保ちながら、ついにこの「長距離レース」を完走します。

尿処理システムの開発には、航空宇宙システム工学の考え方が取り入れられています。開発プロセスでは、システムは個々の指標や単一機械製品の性能にこだわるのではなく、各単一機械、コンポーネント、システムのマッチングを最適化して、システムを最適化し、効率を最大化します。

尿処理サブシステムは軌道上で10年以上稼働する必要があります。そのため、開発当初は、宇宙飛行士による軌道上での保守・交換を目的とした製品の寿命や信頼性の指標に応じて、軌道上交換可能ユニット（ORU）を区分していました。交換が必要な消耗品は貨物宇宙船によって定期的に補充されます。崔部長は「車のメンテナンスと同じで、走行距離に応じてオイル、フィルター、バッテリー、タイヤなどを交換します」と紹介した。

続いて打ち上げられるウェンティアン実験モジュールにも尿処理サブシステムが搭載され、宇宙ステーション複合施設は「二重腎臓」時代を迎えることになる。崔監督は「刀を研ぐには10年かかる。プロジェクトが成功すれば、これまで経験した挫折や苦労、努力はすべて報われる」と語った。