پژوهشگران چگونگی دستیابی به سیستم‌های آب پایدار برای فضا را بررسی می‌کنند

بریتانیا - خبرگزاری اخباری

پژوهشگران چگونگی دستیابی به سیستم‌های آب پایدار برای فضا را بررسی می‌کنند

با گسترش جاه‌طلبی‌های بشریت به سوی ایجاد حضوری دائمی در فضا، تأمین آب آشامیدنی پاک و قابل اعتماد به عنوان یک پیش‌شرط اساسی ظهور می‌کند. چه برای زیستگاه‌ها در ماه، پایگاه‌ها در مریخ، یا ایستگاه‌های فضایی دوردست، آب صرفاً یک راحتی نیست، بلکه جوهر بقاست. این ضرورت با واقعیت‌های سخت اکتشافات فضایی تشدید می‌شود، جایی که منابع کمیاب هستند و مأموریت‌های تأمین مجدد به طور غیرقابل تحملی گران، وقت‌گیر یا هر دو هستند. اتکا به زمین برای تأمین مداوم آب، مدلی ناپایدار برای تلاش‌های طولانی‌مدت فرازمینی است.

وابستگی مطلق بدن انسان به آب، با بقا محدود به سه روز بدون آن، نقش حیاتی آن را برجسته می‌کند. فراتر از هیدراتاسیون شخصی، آب برای تولید اکسیژن قابل تنفس از طریق الکترولیز، پرورش گیاهان خوراکی در محیط‌های کنترل‌شده، و حفظ استانداردهای بهداشتی ضروری در زیستگاه‌های بسته، ضروری است. برای پاسخگویی به این نیازهای چندوجهی، توسعه سیستم‌های پیچیده حلقه بسته (Closed-Loop Systems) که قادر به تأمین مداوم آب پاک برای ماه‌ها، حتی سال‌ها، بدون نیاز به تأمین مجدد خارجی هستند، از اهمیت بالایی برخوردار است.

یک سهم قابل توجه در این زمینه از مطالعه اخیر منتشر شده در *Water Resources Research* حاصل می‌شود. این مقاله به بررسی پیشرفت‌های حاصل شده می‌پردازد و سیستم کنترل محیطی و پشتیبانی حیات (ECLSS) در ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) را به عنوان یک نمونه اولیه ذکر می‌کند. ECLSS کارایی قابل توجهی از خود نشان داده و حدود 93% از آبی را که فضانوردان از طریق ادرار، عرق و تنفس از دست می‌دهند، بازیابی می‌کند. با این حال، نویسندگان مطالعه تأکید می‌کنند که علی‌رغم این دستاورد، چالش‌های قابل توجهی همچنان باقی است. آنها خواستار بررسی رویکردهای نوآورانه متعدد برای تحقق سیستم‌های آب واقعاً پایدار (Sustainable Water Systems - SWS) هستند که نه تنها از نظر انرژی بسیار کارآمد و بادوام باشند، بلکه قادر به ارائه تأمین مداوم و قابل اعتماد آب آشامیدنی در محیط‌های فرازمینی نیز باشند.

این بررسی جامع توسط دیوید بامیدله اولاواده (David Bamidele Olawade) رهبری شد، که یک محقق بهداشت عمومی وابسته به دانشگاه شرق لندن، بنیاد NHS مدوی، و دانشگاه یورک سنت جان است. او با جیمز او. ایجی واد (James O. Ijiwade)، محقق علوم محیطی و نانوتکنولوژی از دانشگاه ایبادان، نیجریه، ووجیما زکریا وادا (Ojima Zechariah Wada)، محقق فوق دکترا متخصص در مدیریت آب و بیوتکنولوژی محیطی در دانشگاه حمد بن خلیفه، قطر، همکاری کرد. تخصص جمعی آنها دیدگاهی چند رشته‌ای به پیچیدگی‌های پایداری آب در فضا ارائه می‌دهد.

در حالی که ECLSS ایستگاه فضایی بین‌المللی به عنوان یک نقشه راه ارزشمند برای بازیابی آب در حلقه بسته عمل می‌کند، محدودیت‌های آن برای ماموریت‌های آینده در فضای عمیق آشکار است. ایستگاه فضایی بین‌المللی از قابلیت‌های تأمین مجدد نسبتاً سریع از زمین بهره می‌برد، اما بار لجستیکی و مالی عظیم است. برآوردهای رسمی نشان می‌دهد که حمل تنها یک کیلوگرم آب می‌تواند ده‌ها هزار دلار هزینه داشته باشد و هزینه‌ها برای مأموریت‌ها به اجرام آسمانی دورتر به طور تصاعدی افزایش می‌یابد. این مانع مالی، همراه با ظرفیت بار محدود فضاپیماها، مقدار محموله، از جمله آب، که می‌تواند حمل شود را به شدت محدود می‌کند.

علاوه بر این، سیستم‌های فعلی مانند ECLSS انرژی زیادی مصرف می‌کنند و آنها را برای استفاده فراتر از مدار پایین زمین (LEO) غیرعملی می‌سازد. همچنین سطوح کارایی آنها برای پایداری نامحدود ناکافی است. استخراج منابع در مکان‌های خارج از زمین مجموعه‌ای منحصر به فرد از موانع را ارائه می‌دهد، از جمله ریزگرانش، شرایط خلاء، نوسانات شدید دما، محدودیت‌های وزنی، و دشواری در تجزیه و تحلیل داده‌ها و ارتباطات. در محیط‌های دورافتاده، مانند قطب‌های ماه یا فضای عمیق، جایی که دسترسی به انرژی خورشیدی به دلیل دوره‌های طولانی تاریکی متناوب است، توسعه منابع انرژی جایگزین و قابل اعتماد حیاتی است.

نگهداری نیز یک ملاحظه حیاتی دیگر است. سیستم‌های بازیافت آب معمولی در طول زمان مستعد خوردگی و فرسودگی هستند. برای مأموریت‌های طولانی‌مدت، توانایی انجام نگهداری منظم به شدت محدود است و این امر باعث می‌شود دوام و طول عمر سیستم اولویت اصلی باشد. برای غلبه بر این موانع، اولاواده و همکارانش پیشرفت‌های اخیر در فناوری‌های فیلتراسیون، روش‌های نوین گندزدایی، و مدیریت سیستم‌های خودمختار را بررسی کردند. ECLSS ایستگاه فضایی بین‌المللی پایه‌ای را فراهم می‌کند، اما سیستم‌های آینده باید برای بهره‌وری انرژی بالاتر و مقاومت بیشتر در برابر تخریب در محیط‌های خشن فضایی طراحی شوند.

محققان قویاً بر اهمیت استفاده از منابع در محل (In-Situ Resource Utilization - ISRU) تأکید می‌کنند - عملی که مواد یافت شده در محل را تأمین و استفاده می‌کند. ISRU سنگ بنای برنامه‌های اکتشافی آینده ماه و مریخ است. به عنوان مثال، برنامه آرتمیس ناسا با هدف ایجاد پایگاه ماه در حوضه قطب جنوب-آیتکن غنی از منابع، منطقه‌ای که با تعداد زیادی دهانه برخوردی مشخص می‌شود. ایستگاه تحقیقاتی بین‌المللی ماه (ILRS) چین و چشم‌انداز آژانس فضایی اروپا برای دهکده ماه بین‌المللی نیز این منطقه را هدف قرار می‌دهند، عمدتاً به دلیل وجود تأیید شده یخ آب فراوان در مناطق سایه دائمی (PSRs).

ملاحظات استراتژیک مشابهی برنامه‌ریزی برای مأموریت‌های مریخ را هدایت می‌کنند. کاوشگرهای رباتیک سال‌هاست که منابع احتمالی آب را در سطح مریخ، به ویژه در عرض‌های جغرافیایی میانی، شناسایی کرده‌اند. با این حال، استخراج و تصفیه آب فرازمینی چالش‌های فنی و لجستیکی قابل توجهی را ایجاد می‌کند. این شامل توسعه تجهیزات تخصصی است که قادر به دسترسی و پردازش ذخایر آب است که به طور بالقوه در زیر رگولیت مریخ مدفون شده‌اند. علاوه بر این، کیفیت آب زیرزمینی در مریخ یک نگرانی است، با غلظت بالای پرکلرات‌ها و سایر ترکیبات آلی بالقوه مضر که نیاز به تکنیک‌های تصفیه پیشرفته برای ایمن‌سازی آن برای مصرف انسان و سیستم‌های پشتیبانی حیات دارد.

در نتیجه، سیستم‌های پیشرفته استخراج و تصفیه ضروری هستند، همراه با سیستم‌های انرژی که به طور مشابه پایدار، بادوام و سازگار با شرایط شدید فرازمینی هستند. در اصل، سیستم‌های آب فضایی باید حلقه بسته، بسیار کارآمد، قوی و با حداقل نیاز به انرژی باشند. برای رسیدگی به نیازهای انرژی قابل توجه سیستم‌های استخراج و تصفیه، این مطالعه کاربردهای مختلف انرژی خورشیدی و خورشیدی-حرارتی را بررسی می‌کند. اینها می‌توانند فرآیندهای حیاتی مانند پمپاژ آب، شیرین‌سازی (با استفاده از روش‌هایی مانند اسمز معکوس یا الکترودیالیز) و تصفیه (از طریق فتکاتالیز یا فیلتراسیون پیشرفته) را تأمین کنند. چنین سیستم‌های غیرمتمرکز برای زیستگاه‌های فرازمینی که در آن نیروگاه‌های بزرگ غیرعملی هستند، ایده‌آل هستند.

سیستم‌های فتوترمال که تابش خورشیدی را به گرما تبدیل می‌کنند، کاربردهای متنوعی از تقطیر خورشیدی تا شیرین‌سازی ارائه می‌دهند. راه‌حل‌های ترکیبی فتوولتائیک-حرارتی (PV-T) می‌توانند با تولید همزمان برق برای پمپ‌ها و فیلترها و در عین حال تولید گرما برای تصفیه آب، کارایی را بیشتر بهبود بخشند. با این حال، اتکا به انرژی خورشیدی با محدودیت‌هایی روبرو است، به ویژه در مناطق قطبی ماه با دوره‌های طولانی تاریکی و در مریخ، که به طور قابل توجهی کمتر از زمین تابش خورشیدی دریافت می‌کند (حدود 43% تا 60%). برای کاهش این چالش‌های انرژی، محققان همچنین پتانسیل راکتورهای هسته‌ای مدولار کوچک را بررسی می‌کنند. اینها در حال حاضر برای پایگاه‌های ماه و مریخ آینده، که توسط برنامه KRUSTY ناسا (Kilopower Reactor Using Stirling Technology) نمونه‌سازی شده‌اند، در نظر گرفته شده‌اند.

این مطالعه همچنین پیشرفت‌های اخیر در بیوراکتورها و مهندسی ژنتیک را در نظر می‌گیرد، که می‌تواند راه‌حل‌های نوآورانه‌ای برای پردازش آب و مدیریت پسماند در فضا ارائه دهد. پیشرفت در این زمینه‌های مرتبط برای امکان سکونت پایدار انسان فراتر از زمین و تضمین رفاه کاوشگران فضایی آینده حیاتی است.

خبرگزاری اخباری