研究人员为太空可持续水系统规划路线

英国 - 艾赫巴里通讯社

研究人员为太空可持续水系统规划路线

随着人类雄心壮志扩展到在月球和火星上建立永久性前哨站，确保可靠的清洁饮用水源成为一项首要挑战。水的基本人类需求，加上太空的严酷现实——有限的资源和极其昂贵的补给任务——使得开发强大、自给自足的系统成为必要。除了简单的生存之外，水对于产生可呼吸的氧气、种植可食用植物以获取营养以及维持基本卫生至关重要；所有这些都是实现地外环境中长期人类存在的关键要素。

该领域的一项重要贡献来自近期发表在《水资源研究》（*Water Resources Research*）杂志上的一项研究，该研究深入探讨了可持续太空水系统当前的努力和未来需求。国际空间站（ISS）上的环境控制与生命支持系统（ECLSS）证明了所取得的进展。目前，ECLSS能够回收宇航员通过尿液、汗水和呼吸损失的水分的约93%，极大地减少了对地球供应的依赖。

然而，由东伦敦大学的公共卫生研究员大卫·巴米代尔·奥拉瓦德（David Bamidele Olawade）领导的该研究的作者强调，重大的障碍依然存在。未来太空水系统的迭代必须显著提高能源效率，具备极高的耐用性，并能够在没有外部补充的情况下在长时间内提供稳定的饮用水供应。奥拉瓦德与尼日利亚伊巴丹大学环境科学和纳米技术研究员詹姆斯·O·伊吉瓦德（James O. Ijiwade）以及卡塔尔哈马德·本·哈利法大学水管理和环境生物技术博士后研究员奥吉玛·泽卡里亚·瓦达（Ojima Zechariah Wada）合作完成了这项全面的审查。

虽然国际空间站的ECLSS为闭环水回收提供了基本蓝图，但在考虑低地球轨道（LEO）以外的任务时，其局限性就显而易见了。国际空间站受益于相对快速的补给能力，但对于月球或火星基地而言，后勤和经济限制是巨大的。官方估计，仅将一公斤水运送到轨道的成本就高达数万美元，而对于深空任务来说，这一数字呈指数级增长。此外，航天器的载货能力有限，限制了可以运输的水等必需品的数量。

包括先进ECLSS在内的现有系统，对于LEO以外的持续运行来说，通常过于耗能，并且缺乏无限期自给自足所需的效率。更重要的是，在地球以外的地方提取资源的行为本身就带来了一系列独特的环境挑战：微重力、太空真空、极端温度波动、严格的设备重量限制以及复杂的通信和数据分析要求。在月球南极等偏远地区，其特点是长期的黑暗，依赖太阳能变得有问题，需要开发替代能源解决方案。

维护也是一个关键的考虑因素。传统的废水回收系统会随着时间的推移而发生腐蚀和机械磨损。在长期任务中，进行定期维修的能力受到严重限制，这使得系统的固有耐用性和可靠性变得至关重要。为了克服这些障碍，奥拉瓦德及其同事研究了过滤技术、新型消毒方法和复杂自主系统方面的最新进展。他们得出结论，尽管现有系统提供了一个有价值的起点，但未来的设计必须优先考虑能源效率和坚固的结构，以承受太空的严酷考验并最大限度地减少维护需求。

该研究的一个中心主题是就地资源利用（ISRU）的关键重要性——即利用目的地现有材料的实践。这是NASA“阿尔忒弥斯计划”的基石，该计划旨在在资源丰富的南极-艾特肯盆地建立一个月球基地。中国国际月球科研站（ILRS）和欧洲空间局的“国际月球村”愿景也优先考虑ISRU。月球南极因其永久阴影区（PSRs）中存在丰富的水冰而特别具有吸引力，这提供了一个潜在的本地水源。

类似的战略考量正在指导火星探索的规划。机器人任务长期以来一直识别出潜在的水源，特别是在中纬度地区。然而，这些地外水的提取和净化带来了重大的技术和后勤挑战。需要专门的设备来获取和处理埋藏在火星风化层中的水冰。此外，火星地下水的质量是一个令人担忧的问题，高浓度的过氯酸盐和其他潜在有害有机化合物需要先进的净化技术，才能使其对人类消费和生命支持系统安全。

因此，先进的提取和净化系统的开发与对同样可持续、耐用且适应环境的能源的需求密不可分。本质上，有效的太空水系统必须是闭环的、高效的，并且极其坚固，同时最大限度地减少能源消耗。为了满足提取和净化的巨大能源需求，研究人员探索了各种太阳能和太阳能热能应用。这些可以为水泵送、脱盐（采用反渗透或电渗析等方法）以及光催化和先进过滤等净化技术提供动力。这类分散式系统非常适合地外栖息地，因为大规模发电厂在那里不切实际。

光热系统将太阳辐射直接转化为热量，可用于太阳能蒸馏和海水淡化等过程。混合光伏-热（PV-T）解决方案通过同时为水泵和过滤器产生电力并为水处理产生热量来提高效率。然而，太阳能固有的局限性——月球两极长期的黑暗周期以及火星上较低的太阳强度（约为地球的43%至60%）——需要补充能源解决方案。该研究还考虑了小型模块化核反应堆的潜力，这是NASA KRUSTY（Kilopower Reactor Using Stirling Technology）计划为未来月球和火星基地积极研究的一项技术。

此外，研究人员承认生物反应器方面的最新进展，这些进展可能在废物处理和水回收中发挥作用，从而为真正意义上的闭环系统做出更多贡献。

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