开创可持续水系统：人类地外未来的关键

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开创可持续水系统：人类地外未来的关键

在人类探索和定居太空的雄心勃勃的追求中，一个根本性挑战迫在眉睫：提供可靠的清洁饮用水源。无论是在月球或火星上的栖息地，还是在远离地球的轨道空间站，水不仅是生存的必需品，更是所有生命支持系统的支柱。人类离不开水超过三天，水对于氧气生成、可食用植物灌溉和卫生也至关重要。这一现实对闭环水系统提出了不可或缺的要求，这些系统必须能够持续数月甚至数年提供清洁水，而无需持续补给。

最近发表在《水资源研究》（Water Resources Research）上的一项研究，将国际空间站（ISS）上的环境控制和生命支持系统（ECLSS）作为该领域进展的一个典范。ECLSS展现了从宇航员的尿液、汗水和湿度中回收93%水分的卓越能力。然而，研究作者——来自东伦敦大学的大卫·巴米德勒·奥拉瓦德、伊巴丹大学的詹姆斯·O·伊吉瓦德以及哈马德·本·哈利法大学的奥吉玛·泽卡里亚·瓦达——指出，仍存在重大挑战。他们的综合评论论文探讨了实现能源高效、耐用且能够稳定供应清洁水的可持续水系统（SWS）的多种方法。

尽管国际空间站的ECLSS为闭环水回收提供了蓝图，但当考虑更远的未来应用时，其局限性变得显而易见。国际空间站可以在数小时内补充水，但物流挑战是巨大的。官方估计，这一过程每公斤可能花费数万美元，而对于更远的任务，成本呈指数级增长。除了高昂的费用，有限的有效载荷能力也使问题更加复杂，这严重限制了补给任务可以携带的货物。

像ECLSS这样的现有系统，对于地球低轨道（LEO）之外的使用来说，耗电量过大，效率不足以无限期地持续运行。此外，在地球以外地点提取资源面临着独特的挑战，例如微重力、真空条件、极端温度波动、重量限制以及复杂的分析和通信问题。在月球南极或深空等偏远环境中，由于长时间的黑暗，太阳能获取受到限制，因此必须开发替代和创新的能源。

还有一个关键的维护问题。传统的水循环系统会随着时间的推移而腐蚀和磨损。在长期任务中，进行定期维护的能力受到严重限制，使得系统耐用性至关重要。为了应对这些艰巨的挑战，奥拉瓦德及其同事考虑了过滤系统、消毒方法和自主技术方面的最新进展。他们强调，未来的系统需要显著提高能源效率，并专门设计以抵抗腐蚀和其他机械问题。

在他们的评论中，作者强调了原位资源利用（ISRU）的巨大重要性，这是未来月球和火星探测所有计划的一个重要方面。根据阿尔忒弥斯计划，美国国家航空航天局（NASA）计划在月球南极-艾特肯盆地建立一个月球基地，这是一个富含潜在水冰的重度撞击区。同样的战略考虑也影响了中国的国际月球研究站（ILRS）和欧洲空间局建立国际月球村的计划。由于南部极地地区陨石坑中（也称为永久阴影区，PSRs）存在丰富的水冰，这个目的地非常有利。

类似的考虑也指导着未来火星任务的规划。多年来，机器人任务一直在探测火星表面寻找水源，特别是在中纬度地区。然而，地外水的提取和净化带来了一系列自身的技术和后勤挑战。其中包括需要专门设备来获取和处理埋藏在风化层中的水资源。在火星上，鉴于高水平的高氯酸盐和其他有害有机化合物，还存在地下水质量的额外问题，这可能使其在未经先进处理的情况下不适合人类饮用。

这种严苛的条件需要先进的提取和净化系统，能够使这些水源适用于人类饮用和生命支持。它们还需要同样可持续、耐用且非常适合极端、孤立环境的动力系统。为了满足提取和净化系统巨大的能源需求，作者考虑了各种太阳能和太阳热能应用。这些系统可以为泵送、脱盐（通过反渗透或电渗析）以及光催化和过滤等净化方法提供清洁能源。它们也非常适用于去中心化、分布式系统，这对于地外环境中的栖息地来说是理想的，因为传统的发电厂和集中式电网系统根本不可行。

此外，光热系统将太阳辐射转化为热能，可用于从太阳能蒸馏到脱盐等一系列过程。混合光伏-热（PV-thermal）解决方案通过同时为泵和过滤器发电，并在脱盐和消毒水供应的同时提供额外效率。然而，由于长时间的黑暗，月球极地地区等环境中的太阳能受到限制，而火星通常接收的太阳辐射较少，这需要先进的储能解决方案或替代能源。奥拉瓦德、伊吉瓦德和瓦达正在进行的研究对于开辟通往这些自给自足的太空前哨站的道路至关重要，确保人类在宇宙中的探索不会因对水的根本需求而受限。

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