化学生命维持系统

这一年是2083年，宇航员们挤在他们的发射舱内，伸长脖子看一看正在迅速消失的地球。它们的每一次呼吸都会消耗宝贵的氧气，产生令人窒息的二氧化碳;每次上厕所都会给他们狭窄的住所增加废物负担，也会看到更多宝贵的水消失。每一口食物都会消耗掉船上的食物储备。当他们离安全的地球越来越远，冲向火星稀薄有毒的大气层时，宇航员们震惊地意识到，他们再也吃不到苹果了，喝不到淡水了，也无法深吸一口不可循环的空气了。

然而，这些宇航员必须能够在他们三年的旅程中生存下来，并在另一个星球上过上新生活。他们会活下来的。他们会进食，呼吸，流汗，洗澡，排便。他们甚至可能有一些新鲜的食物。

将用于未来太空飞行的技术已经在地球实验室中被开发出来了。毫无疑问，许多用于维持宇航员生命的技术都依赖于化学:过滤器、净水膜、微反应堆和气体捕获技术。

这些技术还将在距离地球表面400公里的国际空间站(ISS)上进行测试，以用于未来的长途太空飞行。但与未来的月球基地或火星任务相比，国际空间站有一个明显的优势，因为尽管国际空间站回收了大部分水、空气和垃圾，但总有从地球上再补给的选择。

也没有一滴可以喝的

虽然一些水是被运送到国际空间站的(费用很高)，但大多数宇航员的水来自回收他们的汗液、尿液和洗手水。为了做到这一点，化学家们使用了蒸馏和过滤的老朋友。但在太空中，即使是这些事情也会变得更加复杂:宇航员的汗液和尿液与其他人的不一样。在太空中，我们的骨骼比我们的骨骼在重力压力下脱落的钙要多一点。在地球上开发的水净化系统包括硫酸——在那里可以杀死微生物——在太空中与额外的钙结合生成硫酸钙。这些沉淀物会析出并堵塞蒸馏和过滤设备，使得系统的效率低于在地面上测试时的效率。“你不可能总能预见到所有事情，”美国航空公司的空气振兴研究员达雷尔·简(Darrell Jan)说美国宇航局艾姆斯研究中心在美国加州。美国国家航空航天局的研究人员现在正在努力调整净化添加剂，看看是否可以解决额外的钙。

当然，水不是生命的唯一必需品。在艾姆斯，研究人员也在研究宇航员呼吸的空气和他们周围的固体废物。宇航员的大部分生活和我们一样，有很多塑料和食物垃圾。这些废物不仅占据了拥挤的航天器上宝贵的空间，而且如果放在垃圾袋里，它们还可能会变得危险。“如果你储存厨房垃圾三年不拿出来，它就会发霉、发臭。但在太空中，被扔进垃圾箱的食物垃圾、塑料包装和普通垃圾是一种至关重要的资源。简是一个旨在有效回收这些废物的团队的一员。艾姆斯团队正在开发一种热熔压实器，将废物放入其中，然后将可用于航天器辐射屏蔽的塑料瓦取出。

这种压实机将通过加热垃圾并将水煮沸以便收集，从而将食物、湿纸巾和管道胶带等垃圾中有用的水剥离出来，这一过程也会杀死潜伏的微生物。进一步加热使混合物消毒，然后将剩余的塑料熔化并压实。在加热过程中，会释放出不同的挥发性化合物，包括醛、酮、呋喃、醇、脂肪烃、芳香烃和硫化物。这种混合物中的任何碳氢化合物都使用铂催化剂氧化，然后通过吸附剂床，以保持这些挥发性物质在机舱内的水平最低。

从电脑中取出的塑料瓦片中含有大量的氢，这是一个额外的好处——它们注定要用作辐射屏障，而氢不会产生任何二次辐射。目前，该系统正在微重力环境下工作，有望成为处理太空垃圾的有效方法，即使它看起来笨重，在火星任务中也无关紧要。“热熔压实机重100公斤。如果我们节约了200公斤水，那就是一笔净收益。

清除空气

客舱内的空气也是回收的主要焦点。“想象一下用胶带把自己绑在一个房间里，”Nasa在艾姆斯的另一位空气振兴研究员约翰·霍根(John Hogan)说。“二氧化碳积累得很快，氧气消耗殆尽。“这一切都是因为人类需要呼吸;这是唯一能让氧气进入血液和心脏跳动的方法。但呼吸是一种化学反应:我们吸入的氧气被用来将体内的葡萄糖转化为能量，以ATP的形式，呼出二氧化碳和水。水是有用的，但二氧化碳呢?“我们想从二氧化碳中提取氧气，”霍根说。

我们一直在观察分子的运动方向

目前，在国际空间站上，宇航员可以轻松呼吸，这要归功于一个有四个隔间或床的分子筛，可以捕捉气体。其中两种是干燥剂，另外两种是沸石，可以吸收水和二氧化碳。然后，二氧化碳经过催化系统，进行萨巴蒂尔反应，在催化剂上与氢气反应，生成甲烷和氧气。氧气立即就能发挥作用，但不需要的甲烷目前被排到了太空中。

但对于月球基地或火星之旅来说，这是难以置信的浪费。霍根说:“我们一直在观察分子的去向。”“我们真的不想失去任何分子。霍根说，每个人每天产生一公斤二氧化碳，所以四名船员每天产生4公斤二氧化碳。他说:“这是相当多的材料和碳。”科学家们正在努力研究如何利用这种机载资源，以及在未来如何利用火星大气，其中96%是二氧化碳。

这种令人窒息的二氧化碳首先需要被捕获，借用地球上开发的碳捕获和存储技术:金属有机框架(MOFs)和多孔协调框架。在地球上的碳捕获应用中，MOFs一直被人们关注，因为它们具有惊人的能力，可以将大量的气体保存在令人难以置信的大内表面积中，并将其永远锁定。但来自美国宇航局艾姆斯研究中心和波多黎各大学的研究人员一直在研究不同的mof，它们不仅能吸收二氧化碳，还能再次释放二氧化碳。这为这些多孔材料的发展增加了一个新的维度。“许多吸附材料显示出特殊的CO₂但能够在不需要能源输入的情况下提供所需数量的天然气的存储能力并不多。阿图罗Hernandez-Maldonado他来自波多黎各大学，是财政部团队的一员。

“MOFs为有效吸附剂的设计设定了新的基准。埃尔南德斯-马尔多纳多说:“我认为在不久的将来，我们很有可能在太空舱中使用这些材料。”研究小组已经证明，含有吡嗪二羧酸、联吡啶和1,2-二(4-吡啶基)乙烯基团的铜基MOFs能够在中等压力下吸收和释放二氧化碳——这是任何天基系统中的另一个重要因素。

我们可以重新设想碳的生命周期

一旦二氧化碳被收集起来，它就可以被处理，再次使用萨巴蒂尔反应。由此产生的甲烷可以进一步处理，以产生更多的氢，或进行热裂解，以生成更大的碳基单体，甚至聚合物。还有一种诱人的可能性，即“废弃的”二氧化碳可以转化为生物塑料，用于太空3D打印机，为宇航员提供资源，以制造他们可能在维修或有用的小玩意时意外需要的东西。如果甲烷可以被加工成有机合成所需的化学物质，化学家的想象力可能会在太空中驰骋——甚至允许在太空中制造药物。“我们可以重新设想碳的生命周期，”艾姆斯团队的另一位成员杰夫·李(Jeff Lee)说。

生物的偏见

另一种利用甲烷和二氧化碳的方法是作为藻类的营养物，然后可以用来喂养船员。一项雄心勃勃的欧洲项目正在利用藻类的力量，该项目将宇航员的生命维持系统作为一个整体进行研究。的梅丽莎(微生态生命维持系统)项目是关于制作一个完全支持生命的模块化系统，适用于任何天基环境，无论是宇宙飞船、火星还是月球。梅丽莎的项目负责人克里斯托夫·拉瑟尔(Christophe Lasseur)说，该项目由欧洲航天局(European Space Agency)负责，已经进行了25年欧洲空间研究和技术中心在荷兰的诺德维克。“我们的想法是，在国际空间站之后，欧洲应该为未来的太空任务做好准备，”拉瑟尔说。

根据拉瑟尔的说法，人类在太空中每人每天需要大约5公斤的代谢需求——食物和水。他补充说:“这实际上意味着只要活着就行了。”不洗衣服，不奢侈。拉瑟尔说，把这些数字加起来，三年的火星之旅就能得出吨的答案。梅丽莎与许多正在进行的未来太空前哨的研究有很多共同之处，因为它转向了生物系统的灵感。梅丽莎的技术主要集中在生物反应器上，利用光合微生物将二氧化碳转化为氧气。

Melissa项目采用了化学工程方法，这是法国克莱蒙费朗市Université Blaise Pascal的Claude-Gilles Dussap首创的。他说:“在物理和质量方面，火星和月球不像飞行那样受到限制，所以你必须开发一种通用的方法。”闭环系统必须仔细平衡所有输入和输出，这对Dussap这样的化学工程师来说是音乐，他也喜欢生物学。他说，对于任何生命维持系统来说，化学作用只能到此为止。他说:“你不能只靠化学方法来生产食物，你必须利用生物学。”

梅丽莎系统将有5个隔间，一个试验工厂正在西班牙巴塞罗那大学Autònoma de Barcelona进行开发。第一个隔间携带食物和人类粪便，并使用嗜热厌氧细菌咀嚼，产生液化挥发性脂肪酸和气态二氧化碳(将在后面的循环中使用)以及铵。第二个隔间里居住着捕光细菌Rhodospirillum石它能去除脂肪酸，只留下矿物质和铵。这些被送入第三隔间，那里有硝化细菌，把铵转化为硝酸盐，用作植物的饲料。

芝麻菜

这就是梅丽莎的第四个隔间——食物。隔间的一半用来培养富含蛋白质的蓝藻螺旋藻，它们以之前隔间产生的二氧化碳、矿物质和硝酸盐为食。虽然蛋白质是人类饮食的重要组成部分，但对未来的宇航员来说，好消息是四号舱的另一半基本上是一个种植植物的温室。为这些宇航员提供的食物不仅仅是螺旋藻，梅丽莎还会提供生菜、小麦、大米、土豆、西红柿和其他食物。这个隔间也是光合细菌产生氧气的地方。

最后，为了完成这个循环，宇航员将占据第五个也是最后一个隔间。这个区域还没有准备好供人类居住，但在一个空气循环系统到位的情况下，老鼠在一个更小的版本中快乐地生活，并且正在运行。拉瑟尔说，老鼠完全可以舒服地呼吸自己的循环呼吸。他说:“老鼠受到了很好的待遇，一切都是按照欧洲的伦理规则进行的。”他开玩笑说，他们只有在没有网络连接的时候才会抱怨。拉瑟尔说，老鼠的栖息地是密闭的，并连接到一个光生物反应器，在那里光合细菌将二氧化碳转化为氧气，再将氧气反馈给动物。由过滤器和柱组成的系统可以去除污染物。

Dussap表示，从理论上讲，正是这种由连接隔间组成的模块化系统，使得Melissa能够应用于一系列场景。他说，以前研究生命支持系统的方法“更像是一门艺术”，他希望如果正确的生物系统被组合成一个封闭的系统，自然将演变成一个工作系统。“我们不得不说‘不，这是一个化学工程问题’。”

梅丽莎和美国宇航局团队要解决的关键问题之一是如何在微重力下分离气体和液体，在微重力下，气泡不会像在地球上那样下沉或上升。为此，膜过滤技术将是一个关键组成部分，Dussap说。材料将需要尽可能的疏水，以防止水凝结，也应该是非常透气性。这只是将需要开发的技术的一个例子，以使一个功能齐全的梅丽莎设置脱离地面(字面上)。

达萨普说，这种情况何时发生取决于我们能投入多少人力来解决这个问题。他希望到2020年，至少在地球上，一个可以支持人类的原型将准备就绪。他说，然后最快在2030年，想法可能会转向月球或火星基地。

当这些未来世界的宇航员在他们狭窄的空间里安顿下来时，他们的思想可能会集中在他们面前的任务上。当他们呼吸最后一口地球上的新鲜空气时，他们会考虑空气过滤系统中的MOFs吗?光纤被调整为为吸入二氧化碳的细菌提供适量的光?在未来的几年里，他们是否会仔细考虑让他们饮用和呼吸自己回收的废水的化学成分?似乎更有可能的是，当他们躺下，看着自己的家消失时，那些持单程票的旅行者们最不想做的事，将是维持他们生命的化学反应。

凯瑟琳·桑德森(Katharine Sanderson)是英国德比郡的科学作家

显示Melissa生命周期的图表已于2016年9月12日更正