L'Affaire Siloxane

# L'Affaire Siloxane Source: https://mceglowski.substack.com/p/laffaire-siloxane 在国际空间站初期，维持宇航员生存所需的水必须通过航天飞机运送，成本是其重量黄金价值的数倍。到2005年，已有超过9000千克的水从地球运上太空供宇航员饮用，另有7000千克处理过的尿液储存在轨道储罐中，等待进一步处理。 2008年11月，水处理组件抵达国际空间站，以实现太空探索的伟大梦想：煮沸宇航员的尿液。这个800千克的尿液处理组件将帮助空间站的水资源重复利用率从45%提升至80%。在航天史上，宇航员首次在轨道栖息地中大规模回收利用自己的水。 2010年6月，水处理组件上线13个月后，宇航员饮用水中的总有机碳含量开始出现超标。总有机碳是一种非特异性测量指标，它警告机组人员存在污染物，但无法提示其具体身份。 [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!Rcjc!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2Ff2595de7-f6bb-41d3-a69b-be51dd6d45e0_1806x1296.png)*2010-11年间空间站再生水中的总有机碳图示。红色箭头指向安全限值3ppm。* 在设计空间站时，NASA根据最坏情况（即饮用水中出现甲醛）设定了总有机碳的安全限值为3ppm。到夏季时，有机碳的周趋势稳步上升，预计将在12月超过阈值。届时，NASA要么得送上新鲜饮用水，要么将机组人员撤回地球。 无论在当年还是现在，空间站上都无法进行分析化学实验。如果存在未知物质，必须将其放入返回的龙飞船或联盟号返回舱中，等待地面实验室进行鉴定。宇航员和航天员会定期采集环境样本，但这些样本只有在存档被带回地球后才会进行分析。因此，直到9月份，一艘联盟号返回舱才带着夏季的水样降落，样本迅速被送往休斯顿的食品与水源分析实验室。 在那里，化学家确认了总有机碳读数，但令所有人惊讶的是，他们无法在样本中识别出特定的污染物。水中的物质并不在ISS工程师预计可能进入空间站水系统的数百种化学物质的监控清单上。事实上，这种神秘物质甚至不在实验室庞大的质谱参考库中。 最终，波音公司的同事借助更新的参考库，才识别出这种神秘污染物为二甲基硅二醇（DMSD）。 [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!OSxl!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2Fa07593cd-c4d9-4779-a39d-cec28f3f3163_808x424.png)*二甲基硅二醇（C2H8O2Si），其名之先驱，生命支持系统的毁灭者。* DMSD属于一类称为硅氧烷的化合物，这些分子含有硅-碳-氧键，介于有机化学与海滩沙砾之间。硅氧烷（也称为聚硅氧烷）是化妆品[1]（https://mceglowski.substack.com/p/laffaire-siloxane#footnote-1）、隐形眼镜、假胸、填缝剂、包装以及各种个人卫生产品中的常见成分，用于使物品触感光滑顺滑。正是硅氧烷赋予除臭剂和护发素那种滑腻的质感，这种特性也使它们成为受欢迎的工业润滑剂。 制造商喜欢硅氧烷，因为它们廉价、稳定、无毒且不易反应——除非它们在空间站上接触到某些昂贵的设备。在ISS生命支持系统的事件中，硅氧烷扮演着阿加莎·克里斯蒂小说中那个一直待在豪宅里、却从未有人怀疑其有胆量成为凶手的温顺角色。我们还会再遇到它们。 在这次与硅氧烷的早期交锋中，NASA大大低估了这些化合物造成破坏的能耐。为了确认DMSD是导致数月有机碳异常升高的罪魁祸首，休斯顿的化学家合成了纯净的参考溶液进行校准。他们欣喜地发现，其先进的气相色谱/质谱联用仪对DMSD敏感，在所分析的每个ISS水样中都显示出强烈而清晰的峰。 不幸的是，该仪器在其他所有样本中——包括地面无关的环境样本以及蒸馏去离子水的空白样本——也显示出强烈而清晰的DMSD峰。化学家们毁掉了三台昂贵的气相色谱仪，才意识到仪器中的管路也是由硅氧烷制成的。注入后，DMSD会愉快地溶解到色谱管的内壁上并残留其中，污染仪器之后的所有测量。 在设计出一种不会毁坏实验室设备的替代分析方法后，受教训的化学家们开始着手计算一名宇航员每天可以饮用多少这种DMSD而不致死。他们仍在研究答案时，令所有人惊讶的是，空间站上的总碳读数突然回落至正常水平并保持稳定，仿佛什么都没发生过。 自那次事件以来，空间站饮用水中的总有机碳至少又出现过五次峰值，全部可追溯至DMSD。按照NASA的逻辑，这已将硅氧烷污染从关键异常转变为一种可建模、可规划应对的熟悉行为。该机构甚至将对抗硅氧烷吹嘘为空间站的一项成就——这有点像夸耀你的悬崖豪宅通过坠入大海推进了人类对侵蚀的理解。 太空中的硅氧烷从何而来？调查表明，空间站上硅氧烷蒸气的主要来源是止汗剂、湿巾、乳液和免洗护发素。每天约有1.5克该物质蒸发到舱内大气中。在太空中电离辐射的辅助下，它分解形成硅二醇（DMSD），后者极易溶于水。这种化合物聚集在水冷凝器中，几乎完整地通过处理链，然后进入清洁水供应系统。 在ISS上观察到的总有机碳急剧峰值实际上是一种缓冲假象[2]（https://mceglowski.substack.com/p/laffaire-siloxane#footnote-2）。一种化学反应性更强的物质会结合到水过滤床中的离子交换介质上并停留在那里。但DMSD结合力较弱，基本上任何其他物质都能将其置换出来。当过滤床首次安装时，DMSD开始在新树脂上积累，输出水中没有痕迹。但几个月后，当过滤介质被DMSD饱和时，其他物质开始置换它，形成特征性的有机碳快速上升。一旦积累在过滤床中的DMSD全部洗脱到供水系统中，有机碳读数再次降至接近零。如果更换过滤床，整个过程会重复。 在此过程中，DMSD让空间站付出了巨大代价。每年都必须从地球运来一套替换的多功能过滤床（重50千克，设计寿命三年）。NASA或许可以尝试无视它，但DMSD引起的总有机碳峰值始终存在掩盖另一种更严重污染物上升的风险。而且输出水中存在这种东西还会导致其他问题。硅氧烷已成为已知的麻烦制造者，其主要影响是缩短水系统中多功能过滤床的寿命，并需要每年将舱内热交换器（一个70千克的金属部件）运回地面重新涂覆亲水涂层。 处理硅氧烷的难点在于它们的惰性。去除生命支持回路中的反应性污染物很容易，但硅氧烷能轻松通过大多数过滤器和离子交换器。它们似乎唯一喜欢反应的是催化剂床以及热交换器上昂贵且脆弱的亲水涂层。而当它们最终反应时，会沉积一层玻璃状物质，极有效地杀死任何反应性表面。正是DMSD和宇航员尿液中的二甲砜共同作用，导致空间站的实验性萨巴蒂尔反应器在仅处理了1,800升后便失效。 在徒劳地寻找某种能在水中螯合DMSD的物质后，NASA决定在空气阶段攻击硅氧烷问题，即在各种硅氧烷蒸气水解成硅二醇并进入供水系统之前将其捕获。2015年，他们将站内部分矩形HEPA空气过滤器替换为填充活性炭的特殊硅氧烷吸附过滤器。 虽然这些新过滤器降低了空气中硅氧烷蒸气的浓度，但也导致了霉菌爆发。在运行新型过滤系统两年半后，NASA不得不退回到混合解决方案——过滤器现在一半是活性炭，一半是HEPA。这可以控制霉菌数量，同时至少捕获一部分大气中的硅氧烷。目前，该机构正在测试一种新的过滤系统，安装在热交换器之前以保护它们，并继续尝试在源头上减少硅氧烷。现在NASA可能有些人的整个职业生涯都建立在控制硅氧烷上。但现状仍然不尽如人意。 想象一下，如果硅氧烷问题是在火星任务中首次遇到，故事会如何发展，这很有趣。 在ISS上，2010年总有机碳的初始上升发生在空间站开始循环水约13个月后。假设每个前往火星的机组人员都会在地球附近进行几个月的试航，那么这十个月的时间点正好与飞船抵达火星的时间重合。在那里，机组人员会让飞船进入休眠状态，全体转移到表面栖息地——那里有自己的水循环系统——从而将硅氧烷问题的时钟重置。在长达17个月的火星表面停留中，几个月后水中的有机碳将再次开始上升，因为DMSD开始从离子交换床中洗脱。半年内，机组人员将面临艰难的选择：是否中止任务返回轨道、更换设备，或者接受饮用水中神秘污染物含量升高的事实。 无论他们如何选择，一旦返回轨道飞船，他们会发现那里的总有机碳读数继续上升——这是当初因降落火星而中断的DMSD峰值再次出现。从机组人员的视角看，这个同样的不祥问题似乎从轨道跟踪到火星表面，然后又回到轨道。 如果宇航员在船上有分析设备，比如气相色谱/质谱联用仪，情况可能会更加混乱。他们很难识别水样中的硅氧烷峰，因为即使在地球的NASA参考数据库中也没有列出。到搜索结束时，足够多的DMSD会溶解到气相色谱仪的管路中，从而给所有未来的样本运行引入假信号，导致对其来源产生无尽的潜在混淆。 航空事故中常见的一种模式是：试图修复非致命问题的努力会迅速升级为危及生命的情况，将机组人员置于不熟悉的飞行状态中，并削弱情景意识，以至于开始犯严重错误。很容易想象，尽管硅氧烷问题最终无害，但在这样一个容错率极低、风险极高的任务中，它可能会引发一些糟糕的决策。 显然，未来的任何火星任务都会从ISS的硅氧烷经验中吸取教训。但ISS上首次遭遇硅氧烷问题，是我们离开地球初期探险中可能遇到的问题类型的良好模板。 我喜欢硅氧烷问题，因为它以如此平凡、恼人且具体的方式展示了生命支持系统为何困难。特别是，它说明了太空任务在多大程度上仍然依赖于地面的大型实验室。 但我们还可以从硅氧烷中学到更广泛的、如领英风格的教训！ **未知的未知是一个被低估的风险因素。**火星任务存在这样一种现象：整个事业如此复杂和困难，以至于几乎没有余力去担心意外情况。当然，将心力分配给那些无法描述或识别的事物已经很难。但未知的问题才是最有潜力严重破坏太空任务的，因为根据定义，它们无法在设计时为避免或缓解它做准备。 **许多未知风险并不光鲜。**面对未知的想法具有一种高贵感，很难与除臭剂残渣污染供水的现实相协调。至少从天空实验室时代起，硅氧烷蒸气就已是舱内空气的已知成分。但只有在水复苏回收做出严肃努力时，才能发现它与水回路的相互作用，而此时舱内大气中一个已知的配角就成了主要的程序性头痛。在这场混乱中，我们从未对太空旅行做出基础性发现，但它确实是一个真正新颖且困难的问题。 另一个关于伟大未知事物之平凡的好例子是阿波罗任务期间发现的太空晕动症。今天我们知道，大约一半乘坐大型航天器进入太空的人[3]（https://mceglowski.substack.com/p/laffaire-siloxane#footnote-3）在太空的第一天会经历恶心和其他运动病症状，而且很难预测谁的症状会更严重。犹他州参议员杰克·加恩（Jake Garn）是一位经验丰富的海军飞行员，飞行时间超过10,000小时，他在唯一一次航天飞机飞行中深受其害，以至于敬佩的宇航员群体用他的名字作为太空晕动症的单位，认为1加恩可能代表着人类痛苦生理上限。今天，NASA通过给太空晕动症起一个缩写（Space Adaptation Syndrome）并让宇航员在任务头几天通过呕吐来度过来管理它。但经验丰富的宇航员意外失能几乎严重破坏了多次阿波罗飞行。 恶心问题本身并无太空特性，就像硅氧烷堵塞水回路也并非宇宙之物。但只有在不易在地球上复制的条件下，我们才会偶然发现这个问题。 **限制大型航天器中携带的物品非常困难。**一旦确定了硅氧烷问题，一个明显的策略就是列出潜在来源清单，并尽可能多地将它们排除在运往空间站的物资之外。但NASA很快意识到，硅氧烷无处不在，应用如此广泛，以至于全部标记出来是不切实际的。 航天飞机时代有一个很好的警示故事。航天飞机具有耐热瓦片，必须贴在轨道器的铝制机腹上。一种特殊的布已经被认证用于处理这些瓦片——但后来发现这种布也含有硅氧烷。类似地，用于固定有效载荷的绳索、用于贴标签的胶带、以及宇航员的衣物都可能成为来源。禁令清单迅速扩大，变得不切实际。最终，NASA不得不接受一定水平的硅氧烷污染，并着力于控制其后果，而不是根除来源。 **地面实验室是现有生命支持系统的重要组成部分。**ISS硅氧烷危机的一个明显教训是，缺少在轨分析能力是一个巨大的漏洞。如果ISS上有类似气相色谱/质谱联用仪的设备，DMSD可能早就被识别出来，但化学家们仍然需要花几个月时间来分析自己的仪器污染。但更广泛地看，生命支持系统与地面实验室之间的依赖关系比大多数人意识到的要紧密得多。在当前的ISS生命支持系统中，大约有几十个传感器和监测点，但绝大多数都是通过将样本送回地球进行详细分析来校准和验证的。许多系统参数是在地面实验室中确定的，然后以查找表的形式上传到空间站。因此，当出现意外情况时，必须将样本带回地球，而这一过程可能需要数周甚至数月。 对于火星任务，这种往返延迟是不可接受的。火星任务将需要深度依赖在轨分析能力，这本身就是一个重大的技术进步挑战。 **适应性管理比预防更重要。**ISS最终应对硅氧烷的方法是一种适应性的、迭代的过程——接受某种程度的污染，通过工程控制使其可预测，并在需要时进行更换。这种哲学在许多高级生命支持系统中都很常见，但它与太空探索中常见的“零缺陷”文化形成鲜明对比。在火星任务中，可能需要设计能够以更大灵活性应对污染物的系统，而不是追求完美清洁。硅氧烷永远不会完全从ISS上消失，但NASA已经学会了如何与之共存。这是一个教训：在太空中，有时你无法消灭敌人，只能管理它。 **一些最好的教训来自最平凡的失败。**硅氧烷故事提醒我们，太空飞行的最大挑战往往不是英雄般的推进突破或天文导航难题，而是维持一个安全、稳定的内部环境。这个问题本身可能并不酷，但它对任务成败的影响与任何戏剧性的系统故障一样大。在实际设计中，生命支持系统占据的任务资源远比大多数人意识到的要多。在长期任务中，水的回收利用、空气净化、温度控制等基础功能是确保宇航员生存和任务成功的基石。而硅氧烷问题只是这些基石中一个平凡却顽固的裂纹。 总之，L'Affaire Siloxane是一个关于预期、意外与适应性的故事。它展示了在复杂系统中，即使是最微小、最惰性的化学物质也能造成巨大破坏。它也提醒我们，在太空探索中，未知的未知可能以最不浪漫的方式出现——像护发素中的成分一样普通，却同样致命。