Инженеры NASA, разрабатывающие космический челнок «Орион», который в 2023 году должен доставить астронавтов на лунную орбиту, столкнулись с ожидаемой проблемой при проектировании космического биотуалета.
Современный космический туалет работает в принципе так же, как и туалеты в самолётах или современных поездах. Отходы двух видов всасываются в приёмник при помощи турбовентиляторного двигателя. Дальше их космические дороги расходятся. На «Орионе» твёрдая фракция останется на хранении вплоть до возвращения челнока на Землю, а жидкая — сбрасывается в космическое пространство и превращается в «жёлтый снег». Особенность туалета в том, что он очень шумный — вентилятор делает своё дело. Но, к сожалению, это наименьшая из проблем. Шум пережить можно, а вот с запахом надо что-то делать.
Такой подход к бытовым аспектам космонавтики существовал не всегда. На полётах «Аполлонов» в конце 1960-х годов использовалась система, названная Apollo Fecal Containment Device — мешки, которые после использования герметично запечатывали и для надёжности помещали внутрь другого мешка. Чтобы эти мешки не вздулись от газов от жизнедеятельности бактерий, к их содержимому добавляли жидкий антисептик.
В 1969 году экипаж «Аполлона-10» пережил жуткую аварию «устройства удержания экскрементов» — устройство не справилось со своей основной функцией, отражённой в названии, и часть его содержимого в виде цельного фрагмента начала плавать по кабине вместе с астронавтами. Процесс ловли лишнего при помощи салфетки даже отражён в официальной стенограмме полёта от NASA. Полёт «Аполлона-10» продолжался десять дней.
Мешки, предназначенные для хранения отходов, даже не всегда возвращались на Землю. После нескольких полётов «Аполлонов» 96 пакетов с соответствующим содержимым осталось прямо на Луне. Изучение оставленных на Луне образцов биоматериала могло бы стать ценным экспериментом по поведению жизни во враждебной космической среде. По расчётам NASA, на протяжении пилотируемой экспедиции на Марс необходимо будет аналогичным образом или как-то по-другому оприходовать около 300 килограммов вещества. На Марсе ситуация ещё усугубляется мерами планетарной защиты — важно не загрязнить планету жизнью с Земли, чтобы потом не «открыть» её вместо искомой марсианской.
Туалеты вакуумного типа появились позже — в конце 1970-х годов. В середине 1980-х годов такая система использовалась на станции «Мир». Там работал насос под небольшим отрицательным давлением, а также применялся принцип разделения двух «фракций» отходов. Причём жидкая фракция, как и предполагается сегодня для лунных челноков, выливалась за борт. В один прекрасный день плавающие жёлтые снежинки серьёзно повредили одну из солнечных панелей станции.
В 2020 году NASA отправило новый туалет стоимостью 23 миллиона долларов на Международную космическую станцию на полевые испытания. Космонавты МКС будут опробовать изделие на практике перед тем, как переработанная и усовершенствованная модель будет установлена на челноке «Орион». Поскольку гравитация на МКС отсутствует, для направления потока отходов в нужном направлении в UWMS используются вентиляционные двигатели, создающие отрицательную тягу.
Изделие называется «Универсальная система хранения и переработки отходов» (UWMS, Universal Waste Management System). Его конструкция по сравнению с предыдущими моделями также облегчает жизнь женщин в космосе. Из других улучшений — прочный в химическом отношении металлический сплав, который способен выдержать действие кислотного раствора, который NASA использует для обработки мочи.
На МКС устройство UWMS установлено рядом с действующими отхожими местами. Хоть это и демоверсия, но планируется, что он там так и останется — инженеры пока не собираются спускать его на Землю, чтобы посмотреть, как он справился со своими задачами.
На усовершенствованном устройстве в «Орионе» принцип будет такой же: твёрдое — хранить, жидкое — замораживать и выбрасывать (можно бы, конечно, перерабатывать жидкие отходы в воду, но места для соответствующей фильтрационной системы тоже нет). NASA уже проделывало такие манёвры с мочой, в частности, на «Шаттлах». Но во время полёта моча не дожидалась вылета за борт, чтобы навечно замёрзнуть в безопасном месте и замерзала прямо в системе выхлопа. Поэтому инженеры теперь добавляют в систему подогреватель, не дающий замёрзнуть раньше времени.
Для космических полётов пока что ключевым фактором являются весовые ограничения, поэтому туалеты в космосе также должны быть суперлёгкими. Но маленький и лёгкий двигатель будет работать на полных оборотах — это значит, что от него будет избыточный шум. Учитывая, что «Орион» сделан из алюминия, это будет скорее напоминать оркестр из консервных банок. Зато космонавт внутри кабинки будет ощущать себя более защищённым — товарищи не смогут особо расслышать, что он там делает.
Корабль «Орион» имеет размеры небольшой моторной лодки и предназначен для проживания четырёх человек в течение месяца. Соответственно туалет на нём должен быть компактным и худо-бедно непахнущим. Перспектива хранения человеческих отходов в течение недель ставит перед инженерами задачу совместить в одном изделии все три требования — по весу, размеру и запаху. И тут уже неизбежны компромиссы. Как оказалось, третья задача решается сложнее, чем первые две.
Запах создаётся химическими соединениями, которые при разложении отходов выделяются сквозь фильтры, как раз предназначенные для удаления этих соединений. Фильтры тоже должны быть лёгкими и компактными. Если они не справляются, у астронавтов остаётся не так много ходов для манёвра. Опция открыть окно/выйти на улицу отпадает сразу. Также NASA не может себе позволить использовать на космическом корабле химические дезодоранты: они быстро загрязнят воздух, и с ними атмосфера станет более вредной для здоровья космонавтов, чем в туалете без «освежителя воздуха». Кроме того, контейнеры с дезодорантами — это дополнительные резервуары с газом под давлением, соответственно — дополнительный источник риска взрыва.
Исследователи опробовали множество вариантов поглотителей запахов. В качестве испытательной установки при этом используются органы обоняния сотрудников: учёным действительно платят за то, что они экспериментально оценивают запах туалетной комнаты после её штатного использования и эффективность очередного дезодоранта. Пока что самый безопасным и эффективным веществом оказался старый и проверенный реагент — активированный уголь в виде тонкодисперсного порошка, который может поглощать запахи и не требует для работы затрат электроэнергии или дополнительных химикатов. Вещество можно разместить в фильтре вентиляционной системы космического корабля.
Челнок «Орион» — это составная часть большого проекта NASA «Артемида» по возвращению человека на Луну впервые за пятьдесят лет. Первый пилотируемый полёт к Луне ожидается в 2023 году — астронавты выйдут на лунную орбиту без посадки. Следующий рейс, ориентировочно в 2024 году, уже предусматривает высадку на поверхность и, возможно, некоторую научную деятельность экипажа. Пока неясно, удастся ли к тому времени радикально решить проблему с лунным туалетом или придётся вернуться к проверенному временем решению с вакуумным насосом в качестве «слива» и активированным углём в качестве «освежителя воздуха».
