為什么說(shuō)“火星取水”技術(shù)是移民計(jì)劃成敗的決定性因素？

簡(jiǎn) 要

人類在火星上建立定居點(diǎn)的夢(mèng)想長(zhǎng)期以來(lái)都與一個(gè)不可或缺的條件緊密相連：水。

如今，一項(xiàng)新的研究為未來(lái)的探險(xiǎn)者如何利用這顆紅色星球上稀缺的水資源提供了至關(guān)重要的路線圖，揭示了火星大氣層本身可能成為一條至關(guān)重要但又充滿挑戰(zhàn)的生命線。

/*內(nèi)容

• 一項(xiàng)新的研究比較了從火星提取水的各種技術(shù)，確定了三種潛在來(lái)源：地下冰、土壤水分和大氣水蒸氣。
• 雖然可利用的地下冰層是最有效的長(zhǎng)期解決方案，但它們可能不在初始著陸點(diǎn)附近，這會(huì)造成后勤方面的挑戰(zhàn)。
• 從火星大氣中收集微量水蒸氣需要消耗更多能源，但在無(wú)法獲取冰的情況下，它可以作為一種重要的替代方案或備用方案。
• 可靠的水源不僅對(duì)飲用至關(guān)重要，而且對(duì)生產(chǎn)呼吸所需的氧氣和火箭燃料也至關(guān)重要，而氧氣和火箭燃料是減少對(duì)地球依賴和實(shí)現(xiàn)自給自足的關(guān)鍵。
• 該研究為任務(wù)規(guī)劃提供了一個(gè)框架，表明要實(shí)現(xiàn)人類在火星上的持續(xù)探索和定居，需要采取多管齊下的水提取策略。

火星上可利用的水以冰（純冰和與風(fēng)化層混合的冰）、風(fēng)化層中的結(jié)合水（吸附水和水合礦物中的結(jié)合水）以及大氣中的水蒸氣的形式存在。從大氣中獲取水似乎比從風(fēng)化層中獲取水更具挑戰(zhàn)性。

由斯特拉斯克萊德大學(xué)化學(xué)與工藝工程系的瓦西里斯·英格萊扎基斯博士領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)綜合研究，系統(tǒng)地比較了從火星各種潛在水源中提取水所需的技術(shù)，評(píng)估了地下冰、土壤水分和大氣水蒸氣的可行性。

正如BrightU.AI的伊諾克所指出的，“火星大氣中的水蒸氣極其稀少，僅含有微量水蒸氣，且其濃度隨地點(diǎn)和季節(jié)變化顯著。”

該研究雖然證實(shí)了可開采的地下冰層是最有效、最可持續(xù)的長(zhǎng)期解決方案，但也提出了一個(gè)重要的警告。研究指出：“雖然地下冰層可以提供長(zhǎng)期的解決方案，但探險(xiǎn)者登陸地點(diǎn)附近不太可能存在可開采的冰層。”

這難題凸顯了替代方法的重要性。英格列扎基斯的研究表明，收集火星稀薄的空氣（其中含有微量水蒸氣）可能是一種至關(guān)重要的替代或備用供應(yīng)方式。

該研究對(duì)每種方法的能源需求、可擴(kuò)展性和對(duì)不同火星環(huán)境的適用性進(jìn)行了比較分析，標(biāo)志著向?qū)嶋H規(guī)劃邁出了重要一步。“這項(xiàng)研究是首批比較可用于在火星環(huán)境中回收水的各種技術(shù)的研究之一，”英格列扎基斯說(shuō)。“它還提出了大氣水收集的新思路，為其他水源無(wú)法獲取的情況提供了潛在的寶貴替代方案。”

火星大氣層也是水的來(lái)源之一。火星大氣層稀薄，平均地表氣壓為6.36毫巴，溫度低，全球平均溫度為210開爾文，且干燥，平均水蒸氣含量?jī)H為0.03%（England，2001）。維京1號(hào)和好奇號(hào)火星車任務(wù)期間的測(cè)量結(jié)果表明，火星大氣中還含有二氧化碳（CO?，摩爾分?jǐn)?shù)分別為95.3%和95.7%）、氮?dú)猓∟?，摩爾分?jǐn)?shù)分別為2.7%和2%）、氬氣（Ar，摩爾分?jǐn)?shù)分別為1.6%和2.1%）、氧氣（O?，摩爾分?jǐn)?shù)分別為0.13%和0.17%）、一氧化碳（CO，摩爾分?jǐn)?shù)分別為0.07%和0.08%）以及痕量的其他氣體（Franz等人，2015；Owen等人，1977）。火星大氣的質(zhì)量估計(jì)為2.5 × 101?kg ，大氣中水的總量約為3 ×1012 kg。

火星水獲取系統(tǒng)主要有兩種：大氣水收集（AWH）和風(fēng)化層水提取（WER）。本研究采用三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估水獲取系統(tǒng)：

• 功率/能量標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)功率和SEC消耗量的估算。
• 水資源可用性標(biāo)準(zhǔn)。水資源分布范圍和系統(tǒng)生產(chǎn)能力的估計(jì)值。
• 復(fù)雜性標(biāo)準(zhǔn)。這是一個(gè)定性標(biāo)準(zhǔn)，它基于系統(tǒng)的組件數(shù)量、可擴(kuò)展性和操作靈活性。

盡管目前尚無(wú)已發(fā)表的研究對(duì)雨水收集系統(tǒng)（AWH）與其他水源獲取系統(tǒng)進(jìn)行比較，但由于其高能耗，雨水收集系統(tǒng)一直被認(rèn)為不切實(shí)際。當(dāng)前幾乎所有研究都集中在雨水回收系統(tǒng)（WER）上，因此，雨水回收系統(tǒng)的能耗成為衡量雨水收集系統(tǒng)能耗的標(biāo)準(zhǔn)。本研究的目標(biāo)之一是估算雨水收集系統(tǒng)的功率和能耗，并將其與雨水回收系統(tǒng)的能耗估算值進(jìn)行比較，以此來(lái)評(píng)估雨水收集系統(tǒng)的實(shí)用性。

我們假設(shè)原位資源利用（ISRU）系統(tǒng)運(yùn)行14個(gè)月，六名宇航員在火星上停留500天。在此情景下，返回推進(jìn)劑所需的水量（RPW）估計(jì)為16.9噸。火星上還需要水來(lái)維持人類的基本生命，例如飲用、食物補(bǔ)水、衛(wèi)生、醫(yī)療、艙外活動(dòng)（EVA）服和洗衣。維持生命所需的水量（LSW）尚無(wú)定論。一些粗略的估計(jì)范圍從每人每天3.4千克到每人每天27.6千克不等。

水不僅僅是飲用之物；它是生產(chǎn)呼吸所需氧氣和火箭燃料的基礎(chǔ)資源，這對(duì)于減少對(duì)地球資源的依賴、實(shí)現(xiàn)真正的自給自足至關(guān)重要。“可靠的水資源獲取對(duì)于人類在火星上的生存至關(guān)重要，不僅用于飲用，還用于生產(chǎn)氧氣和燃料，這將減少對(duì)地球資源的依賴，”英格萊扎基斯強(qiáng)調(diào)說(shuō)。

這項(xiàng)研究正值全球航天機(jī)構(gòu)和私營(yíng)公司積極規(guī)劃未來(lái)幾十年載人火星任務(wù)之際。該研究通過(guò)構(gòu)建清晰的技術(shù)框架，旨在引導(dǎo)任務(wù)架構(gòu)朝著更具韌性的方向發(fā)展。“雖然尋找水資源的工作仍在繼續(xù)，火星的大部分區(qū)域仍未被探索，但對(duì)現(xiàn)有技術(shù)及其實(shí)際應(yīng)用的清晰了解，對(duì)于支持可持續(xù)任務(wù)和最終定居至關(guān)重要，”英格萊扎基斯補(bǔ)充道。

最終，該論文強(qiáng)調(diào)，要想在一個(gè)正如其他報(bào)告所描述的那樣“正在大量流失水分”的星球上生存下去，多管齊下的策略可能必不可少。火星冰川的出現(xiàn)或許能為人類帶來(lái)長(zhǎng)遠(yuǎn)的希望，但火星大氣中的水分可能成為未來(lái)先驅(qū)者們首先要利用的資源，將全球大氣中的微量元素轉(zhuǎn)化為地球之外自由與進(jìn)步的基石。

所以如果移民火星這個(gè)水技術(shù)是必須要解決的。那么你是否有更好的方案吶？