【化學應用】在外太空,連「尿」都無比珍貴

■我們亟欲處理掉的尿液在太空可能是寶喔!

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在未來的太空飛行任務中,太空人也許能用自己的尿液發電!

編譯|方程毅

如果我們今天在家裡想要吃點東西,只要你有錢,你就可以走到對面的便利商店買個微波便當。就算你不想吃外面的,你也可以到菜市場買點菜,找個瓦斯爐就可以得到一頓香噴噴的晚餐。但是如果今天是在外太空呢?一切唾手可得的東西在太空都是極大的奢侈。太空中大部分的物資皆是從地球送上國際太空站(International Space Station (ISS)),再從國際太空站分送到各個據點,而從國際太空站取得物資跟水都極為昂貴,光是將一公斤的物資從地球送上近地軌道(low-Earth orbit)成本就高達三萬三千美金。假設一個太空人一天要喝1.5公升的水,光是喝水一天就可以喝掉將近五萬美金,因此廢水回收在太空任務中便是一個重要的議題。

廢水回收除了再利用以外,科學家還把腦筋動到人每天都會產出、但卻不曾善加利用的東西上:尿。光是太空人產出的尿液,就佔所有太空站人為排放廢水的81%。波多黎各大學(University of Puerto Rico, Rio Piedras)的分析化學家Eduardo Nicolau便發展出一種電化學尿素生物反應系統(Urea Bioreactor Electrochemical (UBE) unit),提取尿液中的某些成分並轉化成能量,以供給太空運作所需。他們首先利用逆滲透(Osmosis)去除尿液中一些不必要的有機物或大分子,接著利用生物反應器(Bioreactor)將尿液中的一種重要成分,尿素 CO( NH_{2}) _{2} , urea)轉變為氨( NH_{3} , ammonia),再利用電化電池(Electrochemical Cells)將氨轉換成電流。 其中,生物反應器是利用一種叫做脲酶(Urease)的催化劑將尿素轉變成氨,其反應式如下:

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而電化電池則是在具有鉑(Pt)奈米結構的硼參雜鑽石電極上(boron-doped diamond electrode)進行催化反應,將氨分解成氮氣及水,並同時產生電流,這個電流就是「珍貴」的尿液產生出來的能量。其反應式如下:

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事實上人類的尿液還真是個不錯能量來源,兩個分子的氨即產生六個電子,且氨本身含有的能量密度相當高(12.6MJ/L),專門拿來做生質燃料的乙醇也不過才24MJ/L,更何況生質燃料必須從農作物中提煉,因此須種植特定作物。相比之下尿液的取得相當容易,利用尿液發電對於物資缺乏的太空來說無疑是一項值得發展的技術。 這項技術被刊登在2014年的《ACS永續化學與工程》期刊上(ACS Sustainable Chemistry & Engineering)。

雖然這項技術相當吸引人,但也有不少人提出質疑。因為尿素在尿液中的含量不高,因此必須蒐集大量的尿液才能產生足夠的電能;且電化電池含有貴重金屬鉑,單就太空使用或許有發展空間,因為太空任務是高成本高科技,但若要將來應用到日常生活便會遇到成本問題而難以大量生產,也大大限制了這項技術將來應用的廣泛性。再者,在太空中比在地球上更難以控制反應環境,因此在實驗室所達到的效率要如何複製到太空中也是一大挑戰。目前這個波多黎各大學的研究團隊正在跟美國太空總署位於加州的Ames研究中心(NASA's Ames Research Center)合作研究如何大量生產,並真正應用在太空任務中。各位讀者下次在上廁所的時候不妨可以想想:原來這些東西也這麼有用,不久的將來活許可以拿來發電呢!不過也別盯著它看太久就是了。

Reference
1. Science News : http://news.sciencemag.org/chemistry/2014/04/space-pee-power
2. Nicolau, E. et al. ACS Sustainable Chem. Eng., 20142 (4), pp 749–754

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研究出處:In Space, Pee Is for Power

譯者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章編譯。
責任編輯:Kerina Huang

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