Исследователи намечают курс на устойчивые системы водоснабжения в космосе

Великобритания - Информационное агентство Эхбари

Исследователи намечают курс на устойчивые системы водоснабжения в космосе

По мере того как амбиции человечества распространяются на создание постоянного присутствия в космосе, обеспечение чистой, надежной питьевой водой становится фундаментальным условием. Будь то для поселений на Луне, баз на Марсе или удаленных космических станций, вода — это не просто комфорт, а сама суть выживания. Эта необходимость усугубляется суровыми реалиями освоения космоса, где ресурсы скудны, а миссии по пополнению запасов непомерно дороги, занимают много времени или и то, и другое. Зависимость от Земли для непрерывного снабжения водой является неустойчивой моделью для длительных внеземных предприятий.

Абсолютная зависимость человеческого организма от воды, когда выживание без нее ограничено всего тремя днями, подчеркивает ее критическую роль. Помимо личной гидратации, вода необходима для производства пригодного для дыхания кислорода путем электролиза, выращивания съедобных растений в контролируемой среде и поддержания основных стандартов гигиены в замкнутых средах обитания. Для удовлетворения этих многогранных потребностей первостепенное значение имеет разработка сложных систем с замкнутым циклом — систем, способных постоянно обеспечивать чистой водой в течение месяцев, даже лет, без внешнего пополнения.

Значительный вклад в эту область внесло недавнее исследование, опубликованное в журнале *Water Resources Research*. В статье рассматривается достигнутый прогресс, приводя в качестве основного примера систему контроля окружающей среды и жизнеобеспечения (ECLSS) на борту Международной космической станции (МКС). ECLSS продемонстрировала впечатляющую эффективность, восстанавливая около 93% воды, теряемой астронавтами через мочу, пот и дыхание. Однако авторы исследования подчеркивают, что, несмотря на это достижение, сохраняются существенные проблемы. Они выступают за исследование множества инновационных подходов для создания действительно устойчивых систем водоснабжения (SWS), которые не только отличаются высокой энергоэффективностью и долговечностью, но и способны обеспечивать стабильное, надежное снабжение питьевой водой в условиях внеземной среды.

Комплексный обзор был подготовлен Дэвидом Бамиделе Олаводе, исследователем в области общественного здравоохранения, связанным с Университетом Восточного Лондона, NHS Foundation Trust в Медвее и Университетом Йорка Сент-Джон. К нему присоединились Джеймс О. Идживаде, исследователь в области наук об окружающей среде и нанотехнологий из Университета Ибадана, Нигерия, и Оджима Зекария Вада, постдокторальный исследователь, специализирующийся на управлении водными ресурсами и экологической биотехнологии в Университете Хамада бин Халифы, Катар. Их коллективный опыт обеспечивает междисциплинарную перспективу на сложности устойчивости водоснабжения в космосе.

Хотя система ECLSS МКС служит ценным образцом для регенерации воды в замкнутом цикле, ее ограничения для будущих миссий в дальний космос очевидны. МКС выигрывает от относительно быстрых возможностей пополнения запасов с Земли, но логистические и финансовые издержки огромны. По официальным оценкам, транспортировка всего одного килограмма воды может стоить десятки тысяч долларов, причем затраты экспоненциально растут для миссий к более отдаленным небесным телам. Этот финансовый барьер, в сочетании с ограниченной грузоподъемностью космических аппаратов, серьезно ограничивает количество грузов, включая воду, которые могут быть доставлены.

Кроме того, современные системы, такие как ECLSS, потребляют много энергии, что делает их непригодными для использования за пределами низкой околоземной орбиты (LEO). Их эффективность также недостаточна для неопределенной устойчивости. Добыча ресурсов вне Земли представляет собой уникальный набор препятствий, включая микрогравитацию, условия вакуума, экстремальные температурные колебания, ограничения по весу, а также трудности с анализом данных и связью. В удаленных условиях, таких как лунные полюса или дальний космос, где доступность солнечной энергии прерывиста из-за длительных периодов темноты, разработка альтернативных и надежных источников энергии имеет решающее значение.

Техническое обслуживание является еще одним важным аспектом. Обычные системы рециркуляции воды подвержены коррозии и износу с течением времени. В длительных миссиях возможность проведения регулярного технического обслуживания сильно ограничена, что делает долговечность и срок службы системы первостепенными. Для преодоления этих препятствий Олаводе и его коллеги исследовали последние достижения в области технологий фильтрации, новых методов дезинфекции и автономного управления системами. ECLSS МКС обеспечивает основу, но будущие системы должны быть спроектированы для повышения энергоэффективности и усиления устойчивости к деградации в суровых космических условиях.

Исследователи особо подчеркивают важность использования ресурсов на месте (ISRU) — практики получения и использования материалов, найденных на месте. ISRU является краеугольным камнем планов будущих лунных и марсианских исследований. Например, программа NASA Artemis направлена на создание лунной базы в богатом ресурсами бассейне Южного полюса-Айткена, области, характеризующейся многочисленными кратерами. Китайская Международная лунная исследовательская станция (ILRS) и видение Европейского космического агентства Международной лунной деревни также нацелены на этот регион, в основном из-за подтвержденного наличия обильного водяного льда в постоянно затененных регионах (PSRs).

Аналогичные стратегические соображения направляют планирование марсианских миссий. Роботизированные исследователи годами идентифицировали потенциальные источники воды на поверхности Марса, особенно в средних широтах. Однако добыча и очистка внеземной воды представляют собой серьезные технические и логистические проблемы. Это включает разработку специализированного оборудования, способного получать доступ к запасам воды, возможно, погребенным под марсианским реголитом, и обрабатывать их. Кроме того, качество подземных вод на Марсе вызывает озабоченность, поскольку высокое содержание перхлоратов и других потенциально вредных органических соединений требует передовых методов очистки, чтобы сделать их безопасными для потребления человеком и систем жизнеобеспечения.

Следовательно, необходимы передовые системы добычи и очистки, а также энергетические системы, которые являются столь же устойчивыми, долговечными и адаптированными к экстремальным внеземным условиям. По сути, космические системы водоснабжения должны быть замкнутого типа, высокоэффективными, надежными и требовать минимального энергопотребления. Для удовлетворения значительных энергетических потребностей систем добычи и очистки исследование рассматривает различные применения солнечной и солнечно-тепловой энергии. Они могли бы питать критически важные процессы, такие как перекачка воды, опреснение (с использованием таких методов, как обратный осмос или электродиализ) и очистка (с помощью фотокатализа или передовой фильтрации). Такие децентрализованные системы идеально подходят для внеземных поселений, где крупномасштабные электростанции невозможны.

Фототермические системы, преобразующие солнечное излучение в тепло, предлагают универсальные применения от солнечной дистилляции до опреснения. Гибридные фотоэлектрические-термические (PV-T) решения могут еще больше повысить эффективность, одновременно генерируя электроэнергию для насосов и фильтров, а также производя тепло для обработки воды. Тем не менее, зависимость от солнечной энергии сталкивается с ограничениями, особенно в полярных регионах Луны с длительными периодами темноты и на Марсе, который получает значительно меньше солнечной радиации, чем Земля (примерно 43% - 60%). Для решения этих энергетических проблем исследователи также изучают потенциал малых модульных ядерных реакторов. Они в настоящее время рассматриваются для будущих лунных и марсианских баз, примером чему служит программа NASA Kilopower Reactor Using Stirling Technology (KRUSTY).

Исследование также рассматривает последние достижения в области биореакторов и генной инженерии, которые могут предложить новые решения для обработки воды и управления отходами в космосе. Прогресс в этих взаимосвязанных областях имеет решающее значение для обеспечения устойчивого обитания человека за пределами Земли и обеспечения благополучия будущих космических исследователей.

Информационное агентство Эхбари