为什么飞船在太空中排出宇航员的尿液会变成“尿雪”?

如题所述

美国科学家详细解释了为什么以及如何将宇航员排出的尿液转化为水或者尿雪的原因,因为只有这样才能供宇航员过滤和净化后饮用。在影片中,美国国家航空航天局工程师詹妮弗 · 普鲁伊特解释了如何利用人工重力来帮助相关设备在太空失重环境中仍然正常工作。她说,我们使用离心机,当离心机旋转时,尿液会受到离心力的影响并移动和分离物质。


浓度较高的液体会附着在容器壁上,浓度较低的液体会蒸发吸入上方,然后进入下一步的净化设备,最后,处理过的尿液就是詹妮弗所说的清洁尿液馏出物,它将被送到一个特殊的水处理设备中进行最终过滤,并得到干净的水供宇航员参考。正如第一位登上月球的宇航员阿姆斯特朗所说, 这对我来说是一小步,但对人类来说却是一大步。

这项技术不仅使宇航员能够在太空中获得少量的饮用水,而且是人类向更远的深空飞行的一大步,这是长期太空飞行必须采取的措施,将水从地球输送到国际空间站或更远的深空运太昂贵了。根据目前的技术,每升水的成本约为 48,000 美元,约合 326,000 元人民币。显然,为了使长期太空旅行可行,工程师必须想出更便宜,更经济的方法。

对科学家来说幸运的是,有人想出了解决这个问题的办法。但是对于宇航员来说,他们会皱眉,因为这个想法是让宇航员充分利用他们的粪便,如果是凳子,不是用水清洗,而是用特殊的气泵将粪便吸入塑料盒。每次打开包装时,都会更换一个盒子,装有粪便的塑料盒将被弹入太空。

这其实就是为什么飞船在太空中排出宇航员的尿液会变成尿雪的原因。

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第1个回答  2020-09-17

不仅仅只是简单的变成“雪”,而是先“烧”开了。这样的问题其实并不复杂,并且可以在地球上实验证明。我们会有这样的问题主要是因为我们平常都生活在一个“天然气罐”里(一个标准大气压下,101kPa),我们把“气罐”里经常发生的事情称作常识,例如:水烧开需要达到100摄氏度,因此会惯性的得到水放在太空中会结冰,因为水放在冰箱里会结冰,而太空我们并没有去过,太多数看到听到的都是“寒冷的太空”。


不平凡的地球与特殊的水

经过几十年我们对宇宙的探索,我们发现与地球情况相同的星球在宇宙中并不多见。我们发现水是生命之源,苦苦的寻找液态行星,然而至今都没有找到一颗可以与地球媲美的行星。


图:太阳系宜居带

首先它所处的位置需要在星系中的宜居带上,通俗的说就是不能离星系中的恒星太远或太近,太远温度太低水会结冰,太近温度太高水会被“烤”干。如果把太阳系比作一个足球场,宜居带的宽度就像我们用刻刀在球场刻上一条线那么窄。即使行星处于宜居带中也并不代表会有液态水。金星处于宜居带,然而却是一个炼狱,天空中下着硫酸雨。火星处于宜居带,但却一片荒芜,就像地球上的沙漠。


因此,地球上我们所认为的常识,放到宇宙中并不适用。好在科学家发现了一条公理,这条公理和我们上述所说的存在一定的矛盾,但又不矛盾。天文学第一性原理:人类和地球在宇宙中一点都不特殊。


不特殊源于宇宙的浩瀚,哥白尼发现宇宙并非地球得中心,地球在宇宙中连一粒尘埃都算不上,尘埃又何以特殊呢。而后来开普勒的三大定律,牛顿的万有引力都一次次告诉了人类,地球的确不特殊,因为我们在地球上发现的一切物理性质在宇宙中都适用,或者说宇宙中的任意一个角落物理性质都是相同的。

水在宇宙中同样会通过相同的物理过程结冰成固体,会变成气体,不同的是条件不同,变化的窗口期不同。而之所说地球特殊在宇宙中并不容易找,是因为水的状态很特殊,水分子H2O的物质在宇宙中非常多,但是成为水窗口期非常小。

温度与压强


图:参宿七耀眼的蓝光

宇宙中得最高温度为恒星参宿七蓝色超巨星的1.13万度,最低温度则是布莫让星云的零下272度。区间跨度如此之大,在想想地球上50多度,到零下80几度区间,就是在这个微小的区间下,水也是不一样的,因为压强也会影响水的状态。


如果我们烧壶开水,放到保温瓶中,保证水短时间内能保持在72度以上,当你把水瓶带到珠穆朗玛峰峰顶,在拧开水壶的一瞬间,你会感受有一股力想把瓶盖推开,并且水会沸腾。


图:水分子不同压强下与不同温度下的状态关系

弹开盖子的力是因为珠穆朗玛峰海拔高,空气稀薄,气压较低,密闭的保温瓶内压强大,沸腾同样是因为压强低,水分子受更容易挣脱压力得束缚,所以我们经常说青藏高原煮饭会煮不熟,最好是用高压锅来做饭。理解了这些,太空中的问题就好理解了。


答案与实验

我们知道太空是寒冷的,更关键的是太空还是接近于真空的,简单理解就是如果珠穆朗玛峰压强很低,那么太空中就是无限低。那么水究竟会因为压强低沸腾,还是因为温度低而结冰呢?答案是两个都会发生,只不过先后顺序不一样。


图:液态水分子运动

当宇航员掏出一杯水(忽略掏出过程),当这杯水置于太空中的第一时间会立刻剧烈沸腾,因为真空情况下没有任何压力能把水分子聚集在一起,结合成水。而温度的传导需要一定时间,虽然这个时间也极短,但是远没有水本身水分子感受到分子间碰撞来的快。


当水沸腾后,就会分散开来,形成孤立的、气态的水分子。面对这个超级寒冷的的环境,它们会立即冰冻,更准确的说是去升华,转变为冰晶。


图:美国宇航局在轨道上测试水动力航天器

因此,飞船中的尿液排到太空中,发现尿液瞬间沸腾,然后变成一团小小的固态的冰晶是一个真实的故事。


这个过程并非只能像一系列太空实验一样远观,我们在地球上就可以体会这个过程。在冬天,寒冷的地方,我们可以将一壶水烧开,然后泼到空中,你就能体会到你自己制造的“雪”。这就是在太空中的水会先沸腾成水蒸气,然后结成冰晶的答案。

第2个回答  2020-08-25
因为太空中普遍低温,所以在排出尿的时候自然而然就会成为固体。
第3个回答  2020-08-23
美国科学家详细解释了为什么以及如何将宇航员排出的尿液转化为水或尿雪,因为只有这样才能对它们进行过滤和净化,以供宇航员饮用。在影片中,美国宇航局工程师詹妮弗·普鲁伊特(Jennifer Pruitt)解释了如何使用人造重力帮助相关设备在太空失重环境中仍能正常工作。她说我们使用离心机。当离心机旋转时,尿液将受到离心力的影响并移动并分离出物质。
第4个回答  2020-08-25
使用离心机,尿液会受到离心力的影响并移动和分离物质。浓度较高的液体会附着在容器壁上,浓度较低的液体会蒸发吸入上方,然后进入下一步的净化设备,最后,处理过的尿液就是詹妮弗所说的清洁尿液馏出物,它将被送到一个特殊的水处理设备中进行最终过滤,并得到干净的水供宇航员参考。
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