為什么說“火星取水”技術是移民計劃成敗的決定性因素？

簡 要

人類在火星上建立定居點的夢想長期以來都與一個不可或缺的條件緊密相連：水。

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

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• 一項新的研究比較了從火星提取水的各種技術，確定了三種潛在來源：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期解決方案，但它們可能不在初始著陸點附近，這會造成后勤方面的挑戰。
• 從火星大氣中收集微量水蒸氣需要消耗更多能源，但在無法獲取冰的情況下，它可以作為一種重要的替代方案或備用方案。
• 可靠的水源不僅對飲用至關重要，而且對生產呼吸所需的氧氣和火箭燃料也至關重要，而氧氣和火箭燃料是減少對地球依賴和實現自給自足的關鍵。
• 該研究為任務規劃提供了一個框架，表明要實現人類在火星上的持續探索和定居，需要采取多管齊下的水提取策略。

火星上可利用的水以冰（純冰和與風化層混合的冰）、風化層中的結合水（吸附水和水合礦物中的結合水）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化層中獲取水更具挑戰性。

由斯特拉斯克萊德大學化學與工藝工程系的瓦西里斯·英格萊扎基斯博士領導的一項綜合研究，系統地比較了從火星各種潛在水源中提取水所需的技術，評估了地下冰、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，且其濃度隨地點和季節變化顯著。”

該研究雖然證實了可開采的地下冰層是最有效、最可持續的長期解決方案，但也提出了一個重要的警告。研究指出：“雖然地下冰層可以提供長期的解決方案，但探險者登陸地點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）可能是一種至關重要的替代或備用供應方式。

該研究對每種方法的能源需求、可擴展性和對不同火星環境的適用性進行了比較分析，標志著向實際規劃邁出了重要一步。“這項研究是首批比較可用于在火星環境中回收水的各種技術的研究之一，”英格列扎基斯說。“它還提出了大氣水收集的新思路，為其他水源無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，平均水蒸氣含量僅為0.03%（England，2001）。維京1號和好奇號火星車任務期間的測量結果表明，火星大氣中還含有二氧化碳（CO?，摩爾分數分別為95.3%和95.7%）、氮氣（N?，摩爾分數分別為2.7%和2%）、氬氣（Ar，摩爾分數分別為1.6%和2.1%）、氧氣（O?，摩爾分數分別為0.13%和0.17%）、一氧化碳（CO，摩爾分數分別為0.07%和0.08%）以及痕量的其他氣體（Franz等人，2015；Owen等人，1977）。火星大氣的質量估計為2.5 × 101?kg ，大氣中水的總量約為3 ×1012 kg。

火星水獲取系統主要有兩種：大氣水收集（AWH）和風化層水提取（WER）。本研究采用三個標準來評估水獲取系統：

• 功率/能量標準。系統功率和SEC消耗量的估算。
• 水資源可用性標準。水資源分布范圍和系統生產能力的估計值。
• 復雜性標準。這是一個定性標準，它基于系統的組件數量、可擴展性和操作靈活性。

盡管目前尚無已發表的研究對雨水收集系統（AWH）與其他水源獲取系統進行比較，但由于其高能耗，雨水收集系統一直被認為不切實際。當前幾乎所有研究都集中在雨水回收系統（WER）上，因此，雨水回收系統的能耗成為衡量雨水收集系統能耗的標準。本研究的目標之一是估算雨水收集系統的功率和能耗，并將其與雨水回收系統的能耗估算值進行比較，以此來評估雨水收集系統的實用性。

我們假設原位資源利用（ISRU）系統運行14個月，六名宇航員在火星上停留500天。在此情景下，返回推進劑所需的水量（RPW）估計為16.9噸。火星上還需要水來維持人類的基本生命，例如飲用、食物補水、衛生、醫療、艙外活動（EVA）服和洗衣。維持生命所需的水量（LSW）尚無定論。一些粗略的估計范圍從每人每天3.4千克到每人每天27.6千克不等。

水不僅僅是飲用之物；它是生產呼吸所需氧氣和火箭燃料的基礎資源，這對于減少對地球資源的依賴、實現真正的自給自足至關重要。“可靠的水資源獲取對于人類在火星上的生存至關重要，不僅用于飲用，還用于生產氧氣和燃料，這將減少對地球資源的依賴，”英格萊扎基斯強調說。

這項研究正值全球航天機構和私營公司積極規劃未來幾十年載人火星任務之際。該研究通過構建清晰的技術框架，旨在引導任務架構朝著更具韌性的方向發展。“雖然尋找水資源的工作仍在繼續，火星的大部分區域仍未被探索，但對現有技術及其實際應用的清晰了解，對于支持可持續任務和最終定居至關重要，”英格萊扎基斯補充道。

最終，該論文強調，要想在一個正如其他報告所描述的那樣“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。火星冰川的出現或許能為人類帶來長遠的希望，但火星大氣中的水分可能成為未來先驅者們首先要利用的資源，將全球大氣中的微量元素轉化為地球之外自由與進步的基石。

所以如果移民火星這個水技術是必須要解決的。那么你是否有更好的方案吶？