科学家破解太空“喝水难”：可持续水系统让宇宙生存成为可能！

简 要

如果人类想要在太空工作和生活，无论是在月球或火星上的栖息地，还是在远离地球的空间站，可靠的清洁饮用水源都至关重要。这在资源有限的太空环境中带来了诸多挑战，补给任务成本高昂、耗时漫长，或者两者兼具。

首先，人类没有水就无法生存超过三天。水对于氧气生成、灌溉食用植物和个人卫生也必不可少。满足这些需求需要一个闭环系统，能够在无需补充的情况下持续提供数月甚至数年的清洁水源。

根据近期发表在《水资源研究》期刊上的一项研究，国际空间站上的环境控制与生命保障系统（ECLSS）是该领域取得进展的一个典型例证。迄今为止，ECLSS已展现出回收宇航员通过尿液、汗液和湿气流失的93%水分的能力。然而，作者指出，仍存在诸多挑战，并探讨了多种实现节能、耐用且能够稳定供应清洁水的可持续水系统（SWS）的方法。

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然而，在降低能耗、提高系统耐久性和确保水质方面仍然存在挑战。原位资源利用技术，特别是那些旨在从月球和火星环境中提取水冰的技术，为未来的任务提供了有前景的解决方案，但它们必须克服可扩展性和后勤方面的障碍。

本文还重点介绍了纳米技术和人工智能驱动的自主系统在增强水净化和管理方面的潜力。诸如氧化石墨烯膜之类的纳米材料可以彻底改变过滤效率，而人工智能可以优化实时水质监测和循环利用过程。

随着各航天机构推进在月球和火星上建立殖民地的计划，开发可持续的闭环水系统对于这些任务的成功至关重要。持续的研究和创新对于确保高效管理水资源，以保障人类在太空的长期存在至关重要。

挑战

正如他们在评测中所指出的，国际空间站上的ECLSS系统为闭环水回收提供了一个蓝图，但未来的应用仍需改进。虽然国际空间站可以在数小时内完成水的补给，但后勤方面的挑战却相当巨大。

官方估计，每公斤水的补给成本可能高达数万美元，而且对于更远距离的任务，成本还会呈指数级增长。除了高昂的成本之外，有效载荷能力的限制也使问题更加复杂，进一步限制了补给任务能够携带的货物量。

目前的系统，例如ECLSS，能耗过高，无法在近地轨道以外的区域使用，而且效率不足以长期持续运行。

此外，在地球以外的地区开采资源还面临着微重力、真空环境、温度波动、重量限制以及分析和通信等诸多挑战。在月球南极或深空等偏远地区，由于漫长的黑暗期限制了太阳能的获取，因此必须开发替代能源。

此外，维护也是一个问题，因为传统的水循环系统会随着时间的推移而出现腐蚀和磨损。在长期任务中，定期维护的能力有限，因此系统耐久性至关重要。

为了应对这些挑战，奥拉瓦德及其同事研究了过滤系统、消毒方法和自主技术方面的最新进展。他们指出，国际空间站上的能量回收系统（ECLSS）等系统为闭环水回收提供了一个蓝图。然而，未来的系统需要更加节能，并且需要设计成能够抵抗腐蚀和其他机械问题。

2003年，西班牙籍欧洲航天局宇航员佩德罗·杜克在国际空间站上观看一个水泡漂浮在他和摄像机之间。

纳米技术

这还探讨了纳米材料的最新进展，包括纳滤（NF）膜和纳米颗粒。重点介绍了氧化石墨烯，认为它是最有前景的纳米材料之一，尤其是在膜状材料方面。

氧化石墨烯膜极其轻薄、强度高，并具有独特的性能，使其成为理想的过滤材料，例如高比表面积、耐久性、纳米级孔径以及对水污染物的高反应活性。此外，还可以通过设计使其具有特定的孔径，从而过滤掉特定的污染物，并且不易发生结垢。

自主系统

最后，论文作者探讨了如何利用机器学习和人工智能的进步来改善太空水质。未来的太空探索很可能高度依赖于能够在极少人为干预下运行的自主系统，而水资源管理正是可以从中受益匪浅的领域之一。正如作者所指出的：

能够自主实时监测、调节和优化水质及循环利用过程的水管理系统对于维持长期太空栖息地至关重要。这些由人工智能（AI）和机器学习技术驱动的自主系统，有望通过预测系统故障、降低能耗和提高整体效率，彻底革新水资源管理

为了实现这一目标，人工智能系统需要具备智能的、数据驱动的控制能力，而非依赖预先设定的程序。这些系统必须依靠实时传感器数据来了解水质并响应所使用的硬件。

例如，他们提到了深度卷积神经网络及其分析水图像和自主识别病原体的能力。他们还提到了现有的机器学习算法，例如随机森林和支持向量机，这些算法可以处理光谱仪传感器数据，对水进行分类并验证处理过程的有效性。

在原位资源利用方面，人工智能系统可以通过协调提取、净化和分配，确保水和电力资源的高效利用。人工智能的预测能力还能增强应对不断变化的环境、能源供应突然减少以及其他不可预见挑战的韧性。

每种方案都存在潜在的优势和劣势。然而，若能采取一种综合方法，平衡这些方案以实现最大效能，便可确保未来前往月球、火星和其他深空区域的任务拥有可持续的水源供应。

结合就地种植食物、处理废物、发电以及满足其他基本生活需求的方法，人类将能够把足迹扩展到整个太阳系。

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