科學家破解太空“喝水難”：可持續水系統讓宇宙生存成為可能！

簡 要

如果人類想要在太空工作和生活，無論是在月球或火星上的棲息地，還是在遠離地球的空間站，可靠的清潔飲用水源都至關重要。這在資源有限的太空環境中帶來了諸多挑戰，補給任務成本高昂、耗時漫長，或者兩者兼具。

首先，人類沒有水就無法生存超過三天。水對于氧氣生成、灌溉食用植物和個人衛生也必不可少。滿足這些需求需要一個閉環系統，能夠在無需補充的情況下持續提供數月甚至數年的清潔水源。

根據近期發表在《水資源研究》期刊上的一項研究，國際空間站上的環境控制與生命保障系統（ECLSS）是該領域取得進展的一個典型例證。迄今為止，ECLSS已展現出回收宇航員通過尿液、汗液和濕氣流失的93%水分的能力。然而，作者指出，仍存在諸多挑戰，并探討了多種實現節能、耐用且能夠穩定供應清潔水的可持續水系統（SWS）的方法。

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然而，在降低能耗、提高系統耐久性和確保水質方面仍然存在挑戰。原位資源利用技術，特別是那些旨在從月球和火星環境中提取水冰的技術，為未來的任務提供了有前景的解決方案，但它們必須克服可擴展性和后勤方面的障礙。

本文還重點介紹了納米技術和人工智能驅動的自主系統在增強水凈化和管理方面的潛力。諸如氧化石墨烯膜之類的納米材料可以徹底改變過濾效率，而人工智能可以優化實時水質監測和循環利用過程。

隨著各航天機構推進在月球和火星上建立殖民地的計劃，開發可持續的閉環水系統對于這些任務的成功至關重要。持續的研究和創新對于確保高效管理水資源，以保障人類在太空的長期存在至關重要。

挑戰

正如他們在評測中所指出的，國際空間站上的ECLSS系統為閉環水回收提供了一個藍圖，但未來的應用仍需改進。雖然國際空間站可以在數小時內完成水的補給，但后勤方面的挑戰卻相當巨大。

官方估計，每公斤水的補給成本可能高達數萬美元，而且對于更遠距離的任務，成本還會呈指數級增長。除了高昂的成本之外，有效載荷能力的限制也使問題更加復雜，進一步限制了補給任務能夠攜帶的貨物量。

目前的系統，例如ECLSS，能耗過高，無法在近地軌道以外的區域使用，而且效率不足以長期持續運行。

此外，在地球以外的地區開采資源還面臨著微重力、真空環境、溫度波動、重量限制以及分析和通信等諸多挑戰。在月球南極或深空等偏遠地區，由于漫長的黑暗期限制了太陽能的獲取，因此必須開發替代能源。

此外，維護也是一個問題，因為傳統的水循環系統會隨著時間的推移而出現腐蝕和磨損。在長期任務中，定期維護的能力有限，因此系統耐久性至關重要。

為了應對這些挑戰，奧拉瓦德及其同事研究了過濾系統、消毒方法和自主技術方面的最新進展。他們指出，國際空間站上的能量回收系統（ECLSS）等系統為閉環水回收提供了一個藍圖。然而，未來的系統需要更加節能，并且需要設計成能夠抵抗腐蝕和其他機械問題。

2003年，西班牙籍歐洲航天局宇航員佩德羅·杜克在國際空間站上觀看一個水泡漂浮在他和攝像機之間。

納米技術

這還探討了納米材料的最新進展，包括納濾（NF）膜和納米顆粒。重點介紹了氧化石墨烯，認為它是最有前景的納米材料之一，尤其是在膜狀材料方面。

氧化石墨烯膜極其輕薄、強度高，并具有獨特的性能，使其成為理想的過濾材料，例如高比表面積、耐久性、納米級孔徑以及對水污染物的高反應活性。此外，還可以通過設計使其具有特定的孔徑，從而過濾掉特定的污染物，并且不易發生結垢。

自主系統

最后，論文作者探討了如何利用機器學習和人工智能的進步來改善太空水質。未來的太空探索很可能高度依賴于能夠在極少人為干預下運行的自主系統，而水資源管理正是可以從中受益匪淺的領域之一。正如作者所指出的：

能夠自主實時監測、調節和優化水質及循環利用過程的水管理系統對于維持長期太空棲息地至關重要。這些由人工智能（AI）和機器學習技術驅動的自主系統，有望通過預測系統故障、降低能耗和提高整體效率，徹底革新水資源管理

為了實現這一目標，人工智能系統需要具備智能的、數據驅動的控制能力，而非依賴預先設定的程序。這些系統必須依靠實時傳感器數據來了解水質并響應所使用的硬件。

例如，他們提到了深度卷積神經網絡及其分析水圖像和自主識別病原體的能力。他們還提到了現有的機器學習算法，例如隨機森林和支持向量機，這些算法可以處理光譜儀傳感器數據，對水進行分類并驗證處理過程的有效性。

在原位資源利用方面，人工智能系統可以通過協調提取、凈化和分配，確保水和電力資源的高效利用。人工智能的預測能力還能增強應對不斷變化的環境、能源供應突然減少以及其他不可預見挑戰的韌性。

每種方案都存在潛在的優勢和劣勢。然而，若能采取一種綜合方法，平衡這些方案以實現最大效能，便可確保未來前往月球、火星和其他深空區域的任務擁有可持續的水源供應。

結合就地種植食物、處理廢物、發電以及滿足其他基本生活需求的方法，人類將能夠把足跡擴展到整個太陽系。

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