为什么说“火星取水”技术是移民计划成败的决定性因素？|地球|大气层|摩尔|水蒸气|火星取水|雨水

简要

人类在火星上建立定居点的梦想长期以来都与一个不可或缺的条件紧密相连：水。

如今，一项新的研究为未来的探险者如何利用这颗红色星球上稀缺的水资源提供了至关重要的路线图，揭示了火星大气层本身可能成为一条至关重要但又充满挑战的生命线。

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一项新的研究比较了从火星提取水的各种技术，确定了三种潜在来源：地下冰、土壤水分和大气水蒸气。
虽然可利用的地下冰层是最有效的长期解决方案，但它们可能不在初始着陆点附近，这会造成后勤方面的挑战。
从火星大气中收集微量水蒸气需要消耗更多能源，但在无法获取冰的情况下，它可以作为一种重要的替代方案或备用方案。
可靠的水源不仅对饮用至关重要，而且对生产呼吸所需的氧气和火箭燃料也至关重要，而氧气和火箭燃料是减少对地球依赖和实现自给自足的关键。
该研究为任务规划提供了一个框架，表明要实现人类在火星上的持续探索和定居，需要采取多管齐下的水提取策略。

火星上可利用的水以冰（纯冰和与风化层混合的冰）、风化层中的结合水（吸附水和水合矿物中的结合水）以及大气中的水蒸气的形式存在。从大气中获取水似乎比从风化层中获取水更具挑战性。

由斯特拉斯克莱德大学化学与工艺工程系的瓦西里斯·英格莱扎基斯博士领导的一项综合研究，系统地比较了从火星各种潜在水源中提取水所需的技术，评估了地下冰、土壤水分和大气水蒸气的可行性。

正如BrightU.AI的伊诺克所指出的，“火星大气中的水蒸气极其稀少，仅含有微量水蒸气，且其浓度随地点和季节变化显著。”

该研究虽然证实了可开采的地下冰层是最有效、最可持续的长期解决方案，但也提出了一个重要的警告。研究指出：“虽然地下冰层可以提供长期的解决方案，但探险者登陆地点附近不太可能存在可开采的冰层。”

这难题凸显了替代方法的重要性。英格列扎基斯的研究表明，收集火星稀薄的空气（其中含有微量水蒸气）可能是一种至关重要的替代或备用供应方式。

该研究对每种方法的能源需求、可扩展性和对不同火星环境的适用性进行了比较分析，标志着向实际规划迈出了重要一步。“这项研究是首批比较可用于在火星环境中回收水的各种技术的研究之一，”英格列扎基斯说。“它还提出了大气水收集的新思路，为其他水源无法获取的情况提供了潜在的宝贵替代方案。”

火星大气层也是水的来源之一。火星大气层稀薄，平均地表气压为6.36毫巴，温度低，全球平均温度为210开尔文，且干燥，平均水蒸气含量仅为0.03%（England，2001）。维京1号和好奇号火星车任务期间的测量结果表明，火星大气中还含有二氧化碳（CO₂，摩尔分数分别为95.3%和95.7%）、氮气（N₂，摩尔分数分别为2.7%和2%）、氩气（Ar，摩尔分数分别为1.6%和2.1%）、氧气（O₂，摩尔分数分别为0.13%和0.17%）、一氧化碳（CO，摩尔分数分别为0.07%和0.08%）以及痕量的其他气体（Franz等人，2015；Owen等人，1977）。火星大气的质量估计为2.5 × 10¹⁶kg ，大气中水的总量约为3 ×10¹² kg。

火星水获取系统主要有两种：大气水收集（AWH）和风化层水提取（WER）。本研究采用三个标准来评估水获取系统：

功率/能量标准。系统功率和SEC消耗量的估算。
水资源可用性标准。水资源分布范围和系统生产能力的估计值。
复杂性标准。这是一个定性标准，它基于系统的组件数量、可扩展性和操作灵活性。

尽管目前尚无已发表的研究对雨水收集系统（AWH）与其他水源获取系统进行比较，但由于其高能耗，雨水收集系统一直被认为不切实际。当前几乎所有研究都集中在雨水回收系统（WER）上，因此，雨水回收系统的能耗成为衡量雨水收集系统能耗的标准。本研究的目标之一是估算雨水收集系统的功率和能耗，并将其与雨水回收系统的能耗估算值进行比较，以此来评估雨水收集系统的实用性。

我们假设原位资源利用（ISRU）系统运行14个月，六名宇航员在火星上停留500天。在此情景下，返回推进剂所需的水量（RPW）估计为16.9吨。火星上还需要水来维持人类的基本生命，例如饮用、食物补水、卫生、医疗、舱外活动（EVA）服和洗衣。维持生命所需的水量（LSW）尚无定论。一些粗略的估计范围从每人每天3.4千克到每人每天27.6千克不等。

水不仅仅是饮用之物；它是生产呼吸所需氧气和火箭燃料的基础资源，这对于减少对地球资源的依赖、实现真正的自给自足至关重要。“可靠的水资源获取对于人类在火星上的生存至关重要，不仅用于饮用，还用于生产氧气和燃料，这将减少对地球资源的依赖，”英格莱扎基斯强调说。