研究人员探讨如何实现可持续太空水系统

英国 - 艾赫巴里通讯社

研究人员探讨如何实现可持续太空水系统

随着人类雄心壮志扩展到在太空中建立永久性存在，提供清洁、可靠的饮用水已成为一项基本先决条件。无论是月球上的栖息地、火星上的基地，还是遥远的太空站，水不仅仅是舒适品，更是生存的根本。这种必要性因太空探索的严酷现实而加剧，在这些现实中，资源稀缺，补给任务成本高昂、耗时耗力，或者两者兼而有之。依靠地球进行持续供水，对于长期的地外探索活动而言，是一个不可持续的模式。

人体对水的绝对依赖，没有水生存仅限于三天，这凸显了其关键作用。除了个人饮水，水对于通过电解产生可呼吸的氧气、在受控环境中种植可食用植物以及在封闭栖息地内维持基本的卫生标准至关重要。为了满足这些多方面需求，必须开发复杂的闭环系统（Closed-Loop Systems）——这些系统能够在无需外部补给的情况下，持续数月甚至数年稳定地提供清洁水。

该领域的一项重要贡献来自于近期发表在《水资源研究》（*Water Resources Research*）杂志上的一项研究。该论文研究了已取得的进展，并引用国际空间站（ISS）上的环境控制与生命支持系统（ECLSS）作为一个主要范例。ECLSS 已展现出卓越的效率，能够回收宇航员通过尿液、汗水和呼吸损失的水分的约93%。然而，研究作者强调，尽管取得了这一成就，但重大挑战依然存在。他们主张探索多种创新方法，以实现真正可持续的水系统（Sustainable Water Systems - SWS），这些系统不仅能效高、经久耐用，而且能够在地外环境中提供稳定可靠的饮用水供应。

这项综合性综述由大卫·巴米德勒·奥拉瓦德（David Bamidele Olawade）牵头，他是一位公共卫生研究员，隶属于东伦敦大学、梅德韦国民医疗服务体系基金会信托和约克圣约翰大学。他的合作者包括来自尼日利亚伊巴丹大学的环境科学和纳米技术研究员詹姆斯·O·伊吉瓦德（James O. Ijiwade）和卡塔尔哈马德·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）。他们的集体专业知识为理解太空水可持续性的复杂性提供了多学科视角。

虽然国际空间站的ECLSS系统为闭环水回收提供了宝贵的蓝图，但其对未来深空任务的局限性显而易见。国际空间站受益于来自地球相对快速的补给能力，但后勤和财务负担是巨大的。官方估计显示，仅运输一公斤水就可能花费数万美元，而前往更遥远天体的任务成本则呈指数级增长。除了高昂的成本，航天器有限的有效载荷能力使情况更加复杂，严重限制了可运输的水等货物的数量。

此外，像ECLSS这样的现有系统能耗很高，这使得它们不适用于低地球轨道（LEO）以外的环境，并且效率不足以实现无限期的可持续性。此外，在地球以外地点提取资源会带来独特的挑战，包括微重力、真空条件、极端温度波动、重量限制以及数据分析和通信方面的困难。在月球极地或深空等偏远环境中，由于漫长的黑暗期导致太阳能可用性不规律，因此开发替代且可靠的能源至关重要。

维护也是一个关键考虑因素。传统的废水回收系统随着时间的推移容易发生腐蚀和磨损。对于长期任务而言，进行定期维护的能力受到严重限制，这使得系统的耐用性和寿命至关重要。为了克服这些障碍，奥拉瓦德及其同事调查了过滤技术、新型消毒方法和自主系统管理方面的最新进展。国际空间站的ECLSS提供了一个基础，但未来的系统必须设计得更节能，并增强对恶劣太空环境退化的抵抗力。

研究人员强烈强调就地资源利用（In-Situ Resource Utilization - ISRU）的重要性——即就地取材和利用现有材料的做法。ISRU是未来月球和火星探索计划的基石。例如，NASA的阿尔忒弥斯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，该地区以众多陨石坑为特征。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瞄准该地区，主要原因是永久阴影区（PSRs）中存在大量水冰。

类似的战略考量也指导着火星任务的规划。多年来，机器人探测器一直在火星表面，特别是在中纬度地区，寻找潜在的水源。然而，地外水的提取和净化带来了重大的技术和后勤挑战。这包括开发能够获取和处理可能埋藏在火星风化层下的水资源的专用设备。此外，火星地下水的质量也是一个问题，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，需要先进的提取和净化系统，以及同样可持续、耐用并适应极端地外条件的能源系统。本质上，太空水系统必须是闭环的、高效的、坚固的，并且对能源的需求最低。为了满足提取和净化系统巨大的能源需求，该研究探讨了各种太阳能和太阳能热能的应用。这些可以为水泵送、海水淡化（使用反渗透或电渗析等方法）以及净化（通过光催化或先进过滤）等关键过程提供动力。这种分散式系统非常适合地外栖息地，因为在那里大规模发电厂不可行。

将太阳辐射转化为热量的光热系统，提供了从太阳能蒸馏到海水淡化的多种应用。混合光伏-热（PV-T）解决方案通过同时为水泵和过滤器发电，并为水处理产生热量，可以进一步提高效率。然而，对太阳能的依赖面临着限制，特别是在漫长黑夜的月球极地地区以及火星（接收到的太阳辐射量远低于地球，约占43%至60%）。为了缓解这些能源挑战，研究人员还探索了小型模块化核反应堆的潜力。这些反应堆目前正通过 NASA 的 KRUSTY（Kilopower Reactor Using Stirling Technology）计划，为未来的月球和火星基地进行评估。

该研究还考虑了生物反应器和基因工程方面的最新进展，这些进展可能为太空中的水处理和废物管理提供创新的解决方案。这些相互关联领域取得的进展，对于实现地球以外的可持续人类居住和确保未来太空探索者的福祉至关重要。

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