پژوهشگران مسیر دستیابی به سیستم‌های آب پایدار در فضا را ترسیم می‌کنند

بریتانیا - خبرگزاری اخباری

پژوهشگران مسیر دستیابی به سیستم‌های آب پایدار در فضا را ترسیم می‌کنند

با گسترش جاه‌طلبی‌های بشریت به سمت ایجاد پایگاه‌های دائمی در ماه و مریخ، تأمین یک منبع قابل اعتماد آب آشامیدنی سالم به یک چالش اساسی تبدیل شده است. نیاز اساسی بشر به آب، همراه با واقعیت‌های سخت فضا – منابع محدود و ماموریت‌های پرهزینه تأمین مجدد – توسعه سیستم‌های قوی و خودکفا را ضروری می‌سازد. فراتر از بقای صرف، آب برای تولید اکسیژن قابل تنفس، پرورش گیاهان خوراکی برای تغذیه و حفظ بهداشت اولیه ضروری است؛ همه اینها عناصر حیاتی برای امکان حضور طولانی‌مدت انسان در محیط‌های فرازمینی هستند.

یک سهم قابل توجه در این زمینه از مطالعه اخیر منتشر شده در *Water Resources Research* ناشی می‌شود که به بررسی تلاش‌های جاری و الزامات آینده برای سیستم‌های آبی فضایی پایدار می‌پردازد. سیستم کنترل محیطی و پشتیبانی حیاتی (ECLSS) در ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) گواهی بر پیشرفت حاصل شده است. در حال حاضر، ECLSS قابلیت چشمگیری در بازیابی حدود 93% از آبی که فضانوردان از طریق ادرار، عرق و تنفس از دست می‌دهند، نشان می‌دهد و به طور چشمگیری وابستگی به تأمین از زمین را کاهش می‌دهد.

با این حال، نویسندگان مطالعه، به سرپرستی دیوید بامیدله اولاواده، پژوهشگر سلامت عمومی وابسته به دانشگاه شرق لندن، تأکید می‌کنند که موانع قابل توجهی همچنان باقی است. تکرارهای آینده سیستم‌های آبی فضایی باید به طور قابل توجهی از نظر انرژی کارآمدتر، فوق‌العاده بادوام و قادر به تأمین مداوم آب آشامیدنی در دوره‌های طولانی بدون نیاز به تأمین خارجی باشند. اولاواده در این بررسی جامع با جیمز او. ایجی واده، پژوهشگر علوم محیطی و نانوتکنولوژی از دانشگاه ایبادان، نیجریه، و اوجیما زکریا وادا، پژوهشگر فوق دکتری متخصص در مدیریت آب و بیوتکنولوژی محیطی در دانشگاه حمد بن خلیفه، قطر، همکاری کرده است.

در حالی که ECLSS ایستگاه فضایی بین‌المللی یک نقشه راه اساسی برای بازیابی آب در چرخه بسته ارائه می‌دهد، محدودیت‌های آن هنگام در نظر گرفتن ماموریت‌های فراتر از مدار پایین زمین (LEO) آشکار می‌شود. ایستگاه فضایی بین‌المللی از قابلیت‌های تأمین مجدد نسبتاً سریع بهره می‌برد، اما برای پایگاه‌های ماه یا مریخ، محدودیت‌های لجستیکی و اقتصادی عظیم هستند. برآوردهای رسمی هزینه تحویل تنها یک کیلوگرم آب به مدار را ده‌ها هزار دلار اعلام می‌کنند، رقمی که برای ماموریت‌های فضای عمیق به طور تصاعدی افزایش می‌یابد. علاوه بر این، ظرفیت بار محدود فضاپیماها، حجم مایحتاج ضروری، از جمله آب، که می‌توانند حمل کنند را محدود می‌کند.

سیستم‌های فعلی، از جمله ECLSS پیشرفته، اغلب برای عملیات پایدار فراتر از LEO بیش از حد انرژی‌بر هستند و فاقد کارایی لازم برای خودکفایی نامحدود هستند. علاوه بر این، خود عمل استخراج منابع در مکان‌های خارج از کره زمین مجموعه‌ای منحصر به فرد از چالش‌های زیست‌محیطی را ارائه می‌دهد: ریزگرانش، خلاء فضا، نوسانات شدید دما، محدودیت‌های وزنی سختگیرانه برای تجهیزات، و الزامات پیچیده ارتباطی و تجزیه و تحلیل داده‌ها. در مناطق دورافتاده مانند قطب جنوب ماه، که با دوره‌های طولانی تاریکی مشخص می‌شود، وابستگی به انرژی خورشیدی مشکل‌ساز می‌شود و نیاز به توسعه راه‌حل‌های انرژی جایگزین را ایجاب می‌کند.

نگهداری نیز یکی دیگر از ملاحظات حیاتی است. سیستم‌های بازیافت آب معمولی در طول زمان مستعد خوردگی و سایش مکانیکی هستند. در ماموریت‌های طولانی‌مدت، که در آن توانایی انجام تعمیرات معمول به شدت محدود است، دوام ذاتی و قابلیت اطمینان سیستم‌ها از اهمیت بالایی برخوردار می‌شود. برای غلبه بر این موانع، اولاواده و همکارانش پیشرفت‌های پیشرفته در فناوری‌های فیلتراسیون، روش‌های نوین ضدعفونی و سیستم‌های خودمختار پیچیده را بررسی کردند. آنها نتیجه گرفتند که در حالی که سیستم‌های موجود یک نقطه شروع ارزشمند را فراهم می‌کنند، طرح‌های آینده باید کارایی انرژی و ساختار قوی را برای مقاومت در برابر سختی‌های فضا و به حداقل رساندن نیازهای نگهداری در اولویت قرار دهند.

موضوع اصلی در این بررسی، اهمیت حیاتی استفاده از منابع در محل (ISRU) است – یعنی عمل تأمین و استفاده از موادی که در یک مقصد یافت می‌شوند. این سنگ بنای برنامه آرتمیس ناسا است که هدف آن ایجاد پایگاه ماه در حوضه قطب جنوب-ایتکن غنی از منابع است. ایستگاه تحقیقاتی بین‌المللی ماه (ILRS) چین و چشم‌انداز آژانس فضایی اروپا برای "دهکده بین‌المللی ماه" نیز ISRU را در اولویت قرار می‌دهند. قطب جنوب ماه به دلیل وجود یخ آب فراوان در مناطق سایه دائمی (PSRs)، که منبع بالقوه آب محلی را ارائه می‌دهد، به ویژه جذاب است.

ملاحظات استراتژیک مشابهی در برنامه‌ریزی اکتشاف مریخ هدایت می‌کنند. ماموریت‌های رباتیک مدت‌هاست که ذخایر بالقوه آب، به ویژه در عرض‌های جغرافیایی میانه را شناسایی کرده‌اند. با این حال، استخراج و تصفیه این آب فرازمینی چالش‌های فنی و لجستیکی قابل توجهی را به همراه دارد. تجهیزات تخصصی برای دسترسی و پردازش یخ آب مدفون در رگولیت مریخ مورد نیاز خواهد بود. علاوه بر این، کیفیت آب زیرزمینی در مریخ نگران‌کننده است، با غلظت بالای پرکلرات‌ها و سایر ترکیبات آلی بالقوه مضر که به تکنیک‌های تصفیه پیشرفته نیاز دارند تا آن را برای مصرف انسان و سیستم‌های پشتیبانی حیاتی ایمن کنند.

بنابراین، توسعه سیستم‌های پیشرفته استخراج و تصفیه به طور ذاتی با نیاز به منابع انرژی پایدار، بادوام و سازگار با محیط زیست مرتبط است. در اصل، سیستم‌های آبی فضایی مؤثر باید چرخه بسته، بسیار کارآمد و فوق‌العاده قوی باشند، در حالی که مصرف انرژی را به حداقل می‌رسانند. برای برآورده کردن نیازهای انرژی قابل توجه استخراج و تصفیه، پژوهشگران کاربردهای مختلف انرژی خورشیدی و حرارتی خورشیدی را بررسی کردند. اینها می‌توانند فرآیندهای ضروری مانند پمپاژ آب، شیرین‌سازی (با استفاده از روش‌هایی مانند اسمز معکوس یا الکترودیالیز) و تکنیک‌های تصفیه مانند فوتوکاتالیز و فیلتراسیون پیشرفته را تأمین کنند. چنین سیستم‌های غیرمتمرکزی برای زیستگاه‌های فرازمینی که نیروگاه‌های در مقیاس بزرگ در آنها غیرعملی است، بسیار مناسب هستند.

سیستم‌های فتوترمال که تابش خورشیدی را مستقیماً به گرما تبدیل می‌کنند، می‌توانند برای فرآیندهایی مانند تقطیر خورشیدی و شیرین‌سازی استفاده شوند. راه‌حل‌های هیبریدی فتوولتائیک-حرارتی (PV-T) با تولید همزمان برق برای پمپ‌ها و فیلترها و همچنین تولید گرما برای تصفیه آب، کارایی را بهبود می‌بخشند. با این حال، محدودیت‌های ذاتی انرژی خورشیدی – چرخه‌های طولانی تاریکی در قطب‌های ماه و شدت کمتر نور خورشید در مریخ (تقریباً 43% تا 60% زمین) – نیاز به راه‌حل‌های انرژی مکمل دارند. این مطالعه همچنین پتانسیل راکتورهای هسته‌ای مدولار کوچک را در نظر می‌گیرد، فناوری که در حال حاضر به طور فعال توسط برنامه KRUSTY ناسا (Kilopower Reactor Using Stirling Technology) برای پایگاه‌های آینده ماه و مریخ مورد تحقیق قرار می‌گیرد.

علاوه بر این، پژوهشگران پیشرفت‌های اخیر در بیوراکتورها را تشخیص می‌دهند که می‌توانند در پردازش زباله و بازیافت آب نقش داشته باشند و بدین ترتیب به یک سیستم واقعاً بسته کمک کنند.

خبرگزاری اخباری