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美国科学家研究太空旅行粪电池

来源:http://www.btxygg.com 作者:广东快乐10分预测 时间:2019-11-28 03:31

国际先驱导报文章 大多数人在冲完马桶后都不会再去想被冲走的东西,但是宇航员们却没有这样的“福气”:对他们而言,如何处置人类垃圾是一个严肃的难题。太空粪阻路如果我们人类有朝一日终于动身前往火星,单向旅程就可能花费两年时间。在此期间,由6个成员构成的太空小组将 会“制造”出6吨多的固态有机垃圾。这样,要让太空船在一来一去长达四年的旅途中始终装载着垃圾,无疑将会令人极为头痛。把垃圾丢到太空去?这绝不是一个好办法,那么还有别的办法吗?目前,宇航员在宇航中产生的垃圾是要被运回地球的,但是对于长距离太空航行可以考虑一个听上去可能令人反胃但实际上却是可行也有利的办法:重复利用垃圾。这能给宇航员提供饮用水和肥料。此外,在特殊微生物的帮助下,可以利用有机垃圾发电。这样,人类垃圾不仅不再是太空旅行的缺陷反倒变成了颇有价值的日用品。美国西北大学的布鲁斯·里特曼正受美国国家航空航天局的资助,研究如何借助“泥菌”(Geobacter)属微生物的作用来从人类垃圾中获取电能。“泥菌”属微生物喜欢生活在没有氧而是富含铁的环境中。对它们来说,铁就是它们生存的氧。它们不是像绝大多数其他生命形式一样利用氧来从食物中获得能量,而是通过“吞食”腐泥,把物质中的电子“拉”出来,然后把那些电子堆到环境中的一个金属块中去,作为对它们把电子转移到金属块中去的回报,泥菌从金属块处获取能量。泥菌的这一特性正好可以用来承担各种各样的脏活,诸如在底下水中清除铀和石油等污染物,同样也可以用来处理生活污水,把脏水净化到可以重新饮用。但净化水质并不是泥菌的惟一能力,它们也可以用来从有机垃圾中产生电源。里特曼在做的就是这个事情。粪电池里特曼的办法是,把泥菌装到一个特别的燃料电池里,将来这种电池可放到太空船上用来提供电力。这种电池与传统的电池不同,不是利用氢来作为燃料,而是靠泥菌来“暴食”人类垃圾。在以人类垃圾为原料的燃料电池中,泥菌被安放到电池阳极棒的表面。发电时,人类垃圾混合成灰浆抽送到电池阳极棒表面处,泥菌即大肆吞食它们,从那些有机灰浆中攫取电子并电子电子转移到电池阳极棒上。就像所有的燃料电池那样,当电子向带有正电荷的阴极移动时,电流就产生了。这种微生物燃料电池的优势在于把有机混合物充当燃料,而不是使用氢气。人类排泄的垃圾物因此成了直接发电的物质来源。这不就是化废为利吗?在把这个设想变为实用之前,还必须更深入地了解泥菌是如何把电子转到阳极棒上的。里特曼说:“了解这种细菌是如何转移电子的对我们来说至关重要,因为我们必须让电子迅速地从细菌处转移到阳极棒上。”在迄今的实验室测试中,电子的转移速率还太低,因此还难于生产出实用的垃圾燃料电池。不过里特曼表示他希望这个速率会越来越快,由此能产生更多的电力。随着这一技术的成熟,受益的将不仅仅是宇航员。尽管我们在地球上没有太空船那样的有限空间与有限载荷等问题,但是处理垃圾、污水等等仍然是一种代价昂贵的工作。而利用泥菌来处理各式垃圾,既能净化水同时又能产生电,还有比这更好更合算的垃圾处理办法吗?“既然我们无论如何都要把垃圾处理掉,为什么不用它们来制造能量呢?”里特曼说。可以预期,这项技术必然会带来垃圾处理行业中的一场革命。也许不久的将来我们就会从商业的角度高度重视垃圾,甚至会忘记垃圾在从前生活中的卑微地位。这也证明了那句古老的格言:哪里有粪便,哪里就有黄金。来源:《国际先驱导报》

目前载人飞船上天,宇航员在太空飞行中产生大量的排泄物。科学家正在研究利用“泥菌”属微生物将这些太空垃圾变废为宝,即让“泥菌”属微生物“吃下”人类的排泄物,产出电能。具体做法是将这种“泥菌”属微生物放在一个特别设计的燃料电池里,这块电池的燃料不是氢,而是人类的排泄物。“泥菌”吞食下排泄物后,分解出电子,随后电子被转移到电池的一极,当电子流向电池另一极时,碰撞出电流。如果这一设想真的能变为现实,那么受益的不仅是宇航员,人类的排泄物都可以变废为宝了。

微生物燃料电池是目前在太空探索研究方面最有前途的途径之一,因为它们可以提供持续可靠的能源,甚至比目前为“好奇”号火星车供电的核反应器提供更长的供电时间。实际的电源来自细菌本身的代谢过程。微生物产生的电子通过一个阳极阴极电阻电路发送,然后产生电力。这样的电池可以自然地充电,因为微生物具有繁殖能力。这种方法为目前困扰着太阳系探测任务的长期电力存储问题提供了一个很好的解决方案。斯科特在最近的一份声明中说:“这项研究为空间和机器人应用中的低功率电子产品的长期发展奠定了基础。” 他总结说:“微生物燃料电池外加低功耗的电子设备,满足机器人系统,尤其是行星机器人的能量需求。”

利用微生物发电其实已不新奇,很多国家都已致力于研发微生物电池,其原理是将微生物产生的化学能转换为电能。利用微生物的发酵技术,提供微生物有氧呼吸的必要原料,就可以使微生物大量繁殖并进行有氧呼吸,其放出的巨大热量可用于发电。微生物发电这一令人期待的发电模式正逐渐显现出巨大的潜力。

据国外媒体报道,美国海军研究实验室(US Naval Research Laboratory,NRL)的太空机器人专家正在致力于研制新一代的行星探测漫游车(exploration rovers)。他们研制的这种机器人完全不同于之前发射的太空机器人,它们不但个体小,而且采用微生物提供持久的电能。独辟蹊径采用“小家伙”去探索火星和其它星球将更节能环保。

美国宇航局在2004年派出两辆火星探测漫游车:“机遇”号和“勇气”号火星车到这个红色星球,现在又发射“好奇”号火星车。“好奇”号火星车是一个汽车大小的火星遥控设备,是前往火星的探测器制造的有史以来最大的隔热板,约一吨重。其使命是探寻火星上的生命元素。

为了将更大的机器发送到其它星球,工程师就必须建立极为昂贵的火箭,以及运载核能为机器提供动力。NRL的研究小组认为,另一种解决方案是利用小型机器通过另一种方法获得庞大的数据量。该小组说,一大群小型机器人,每个体重不到一公斤,它们和一个更为复杂的机器一样可以完成相同的任务,但只需几分之一的成本,并且可以降低能源消耗,具有更大的灵活性。NRL航天器工程系的研究者正在开发能够探测其它行星的小型机器人,它们由细菌提供动力。专家格雷戈里-斯科特(Gregory Scott)领导该团队。

科学家表示,未来的太空任务将需要能够发送庞大的数据量。到现在为止,只能通过空间机构建设越来越大的航天器满足需求。但是,这条道路似乎难以为继。

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