火星土壤中水分提取方法研究及模擬實驗

李丹明，李 毅

(蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州730000)

1 引言

載人登陸火星往返火星的時間太長且代價太大，應(yīng)建設(shè)具備長期駐人條件的火星基地。為此，必須解決火星基地中人居環(huán)境所必不可少的水源問題，顯然從地球運(yùn)送水去火星是不可行也不可取的方法。有必要基于火星原位資源利用(In-Situ Resource Utilization，ISRU)理念開展火星水冰開采、土壤水分提取、大氣水分子收集等途徑與方法的研究工作，為未來駐人火星基地的選址及水資源的利用提供技術(shù)基礎(chǔ)。

存在于火星大氣中的水分子也屬火星的水資源，從火星大氣中提取水蒸氣是可行的，然而水分在大氣中含量較少，占比僅為0.03%。對火星水資源探測研究表明，火星地表的水資源主要存在于火星北極與南極的冰冠以及火星的土壤中。2007年美國科學(xué)家唐納德·拉普在全面回顧了火星某些地區(qū)近地表面存在HO的證據(jù)，HO在高緯度地區(qū)以冰的形式存在，在低緯度地區(qū)以冰或者近地表面巖層中含水礦物的形式存在。火星近地表面是指火星表巖層頂部到地下最多2 m處，理論模型和探測數(shù)據(jù)的結(jié)果非常有力地說明了近地表面的HO在火星高緯度地區(qū)分布廣泛，并且探測數(shù)據(jù)顯示HO在某些區(qū)域已接近赤道緯度附近。目前，科學(xué)研究認(rèn)為，火星極區(qū)附近土壤中存在大量水冰，赤道附近土壤中水含量約為3%～8%。NASA在2015年做出的關(guān)于火星原位資源利用的綜述報告中給出了奧德賽號火星探測器利用伽馬光譜儀對火星表面米級深度中氫存在的探測結(jié)果，而氫的存在則被解讀為存在某種形式的水。最新研究表明，火星土壤中水分的賦存形式主要有含水礦物(化合態(tài))與臟冰(結(jié)晶態(tài))。因此，火星地表賦存的水可作為主要的水資源而加以利用。為了未來實現(xiàn)火星水資源的獲得，需重點針對火星中的含水土壤，探索一種使處于低氣壓環(huán)境中含水量少的土壤在太陽光加熱下發(fā)生升華、進(jìn)而凝結(jié)成霜的方法，并設(shè)計相應(yīng)的模擬實驗裝置對此加以驗證。

土壤光熱取水方法在地球上是可行的，利用溫室效應(yīng)取水則是野外生存的一項實踐，然而能否在火星上有效應(yīng)用，尚需在地球表面進(jìn)行模擬實驗驗證。國外曾搭建過小行星水提取模擬實驗裝置，并進(jìn)行了相應(yīng)的實驗驗證；國內(nèi)開展火星原位資源利用的相關(guān)研究較晚，內(nèi)容也較少。在土壤光熱取水方面的研究中，李居平等研究了太陽光輻射熱量在土壤內(nèi)傳遞并使其中含有的水冰升華相變的過程，分析了在有效太陽輻照度隨照射角度變化的熱流邊界條件下帶有冰升華潛熱內(nèi)熱源的一維導(dǎo)熱問題，提出了火星淺層土壤內(nèi)冰的升華導(dǎo)熱模型；在此基礎(chǔ)上代入火星土壤熱物理參數(shù)并簡化了計算條件，從而得到了較為理想化的計算分析結(jié)果。

本文依據(jù)火星土壤中水分的賦存形式，進(jìn)行淺層土壤結(jié)晶水分的采集方法研究，對方法的原理可行性進(jìn)行分析計算，在此基礎(chǔ)上設(shè)計與搭建火星土壤低氣壓光熱取水地面模擬實驗裝置，并利用模擬火星土壤進(jìn)行初步的實驗驗證。

2 可行性分析

火星全年平均溫度處于-60～-50℃之間，平均氣壓相當(dāng)于0.006個大氣壓，約為600 Pa，低于水三相點處的氣壓，因此提高土壤溫度到大約-10℃以上，便可使土壤中以結(jié)晶水形式存在的水分得以升華。根據(jù)克勞修斯-克拉貝龍方程可得到冰升華溫度T與氣壓較為準(zhǔn)確的關(guān)系，見公式(1)。

升華水蒸氣的擴(kuò)散遵從菲克定律。火星大氣壓力僅為0.006個大氣壓，平均密度為0.0166 kg/m，其中水的含量為0.03%，水蒸氣在此條件下的擴(kuò)散速率大于在地球大氣壓下的擴(kuò)散速率，并接近于在真空中的擴(kuò)散速率。倘若升華且快速運(yùn)動的水蒸氣到達(dá)一個溫度足夠低的表面，則將大部分凝結(jié)于此，所形成的霜則能夠被有效收集。

據(jù)此，本文提出了以火星表面太陽光輻照為熱源加熱淺層土壤，致其水分升華擴(kuò)散，進(jìn)而進(jìn)行凝結(jié)收集的方法。設(shè)想將一個特別設(shè)計的罩體置于需取水的土壤上，該罩體既有保持結(jié)構(gòu)形狀的強(qiáng)度性能，又有高紅外透過率特性。利用太陽光輻射能量加熱罩內(nèi)的土壤，使其升華并冷凝成霜，則可進(jìn)一步實現(xiàn)水的收集，此方法原理見圖1。在一塊區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了一段時間的水收集操作之后，再移動至下一塊區(qū)域繼續(xù)進(jìn)行；霜積累到一定厚度后，通過刮取或者加熱融化予以收集。

根據(jù)淺層土壤內(nèi)冰的升華導(dǎo)熱模型，采用有限差分法計算一定厚度土壤內(nèi)的冰升華時間。設(shè)置模擬光源垂直照射土壤表面，輻照強(qiáng)度q不變。輻照熱量以輻射的方式傳遞給冰結(jié)層的升華界面，其導(dǎo)熱微分方程為式(2)。

圖1 土壤水分升華凝霜過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of sublimation and frosting of soilmoisture

其中，λ、ρ和c分別為火星土壤的熱導(dǎo)率、密度和比熱容，x為土層深度，q為體積內(nèi)熱源，T為冰結(jié)層初始溫度。采用顯示差分方程將原微分方程離散，對于一階微分采用向前差分，二階微分采用中心差分，即式(3)。

當(dāng)相變溫度恒定時，對于含有潛熱的導(dǎo)熱問題通常采用溫度補(bǔ)償法來處理潛熱。設(shè)在Δτ時間內(nèi)，1個單元中升華率增加Δf，其吸收的潛熱為式(4)。

若Δf≥1，說明單元中的冰已完全升華。此時Δf＝1，由式(6)可得此刻的單元修正溫度為式(7)。

表1 模擬火星土壤的物理特性參數(shù)Table 1 Physical characteristic parameters of the simulated M artian soil

3 實驗裝置

在以上理論及方法研究基礎(chǔ)上，設(shè)計了低氣壓光熱取水模擬實驗裝置，裝置的結(jié)構(gòu)示意圖及實物見圖2所示。該裝置主體由上下2部分構(gòu)成，上半部分為半球型容器，由塑料透明半球空心體、金屬網(wǎng)格半球空心體和金屬半球網(wǎng)格支撐金屬骨架組成，具備土壤樣品光熱集水的密閉、透光、冷凝等功能；下半部分為金屬殼柜體，由金屬吸氣管、底座和表面打孔金屬柜組成，用于承擔(dān)上半部重量，并提供抽氣源及冷媒源。

圖2 低氣壓光熱集水模擬實驗裝置模裝圖及實物Fig.2 Schematic diagram and photo of simulated hypobaric water extractor using light and heat resources

半球容器的殼體由多層材料組成，整體具備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、透光率高、熱導(dǎo)率高的特性；最外層薄膜選用高強(qiáng)度/高紅外透過率的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜，對太陽光(總能量)的透過率高達(dá)90%。

金屬網(wǎng)格半球空心體用于導(dǎo)熱，可選用銅、銅合金、鋁、鋁合金或不銹鋼等具有良好導(dǎo)熱性能的金屬材料，本裝置采用鋁合金材料作為容器結(jié)構(gòu)支撐材料及殼體形狀保持材料，具有較高的熱導(dǎo)率(238W/m·K)。

金屬網(wǎng)格半球支撐骨架起支撐作用，避免塑料透明半球空心體在真空條件下產(chǎn)生變形，其材料優(yōu)選銅、鋁或鋁合金；金屬管采用銅管，用于輸送冷卻介質(zhì)；用木材或塑料作為底座。

塑料透明半球空心體放置在底座上，與底座形成一個封閉的半球型空腔，具有良好的氣密性，內(nèi)部可用泵抽至10 Pa的氣壓，遠(yuǎn)小于火星的平均值大氣壓(約600 Pa)，且在停止抽氣后的2～3 h以內(nèi)，氣壓能夠保持小于500 Pa。

采用該實驗裝置提取水時，將土壤放置在底座上，通過冷卻介質(zhì)源控制半球形空腔內(nèi)壁的溫度以便使土壤中升華的水分能夠在半球形空腔內(nèi)壁上凝華；通過真空泵調(diào)控半球形空腔內(nèi)部的壓力；通過太陽光模擬器模擬不同光照強(qiáng)度的太陽光。

采用石英晶體微量天平測量凝結(jié)的水分子量，計算收集速率及效率。

4 實驗驗證

在所搭建的低氣壓光熱集水模擬實驗裝置上進(jìn)行了土壤受光輻射加熱及其結(jié)晶水升華、擴(kuò)散、凝結(jié)過程的實驗。在對可獲得的火星土壤物理特性探測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析以及對多家機(jī)構(gòu)研制的模擬土壤調(diào)研基礎(chǔ)上，實驗選用的模擬火星土壤物理特性參數(shù)見表1。

實驗過程為:將制冷至-55℃(火星全年溫度的平均值)的模擬火星土壤裝置于模擬實驗裝置的樣品臺上，厚度設(shè)置為2 mm，隨即用包裹著黑布的半球型容器密閉測試空間，并開啟真空泵抽氣，同時打開裝置中配備的液氮冷卻介質(zhì)，通過管道及金屬網(wǎng)格給容器殼體降溫。控制抽氣流導(dǎo)使容器內(nèi)部氣壓保持在500～600 Pa之間。此時去除外包覆的黑布，使模擬光源透過容器的薄膜殼體，垂直照射在土壤表面上，加熱土壤，使土壤中的水分在此低氣壓條件下開始受熱升華，并向容器內(nèi)表面擴(kuò)散。前期對容器殼體的降溫已使其低于0℃，于是擴(kuò)散至此的水分在殼體內(nèi)表面上凝結(jié)成霜，使用石英晶體微量天平(QCM)對水分凝結(jié)量進(jìn)行了測試。

實驗獲得的容器頂端單位面積上的水分凝結(jié)量隨時間的變化如圖3所示。水分凝結(jié)量隨加熱時間持續(xù)增多。開始時，水分凝結(jié)量隨時間快速增加，隨后增加量減緩，大約2 h之后，水分凝結(jié)量隨加熱時間延長未有持續(xù)增多，這是因為模擬土壤中的水冰含量隨著升華而逐漸減少。該實驗結(jié)果與理論計算分析結(jié)果相一致，初步驗證了火星含水土壤光熱集水方法的可行性。

圖3 水分子凝結(jié)量隨時間的變化關(guān)系Fig.3 The condensed water as a function of time

5 結(jié)論

1)本文設(shè)計并研制了火星土壤低氣壓光熱取水地面模擬實驗裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可對不同光照水平、大氣壓力和溫度等條件下的集水速度及效率進(jìn)行研究，針對土壤的不同平均含水量以及含水量隨深度的分布，可獲取集水速度及效率數(shù)據(jù)。

2)利用模擬火星土壤進(jìn)行了初步實驗驗證，獲得水分凝結(jié)量隨加熱時間之間的關(guān)系:水分凝結(jié)量隨加熱時間持續(xù)增多；開始時水分凝結(jié)量隨時間快速增加，隨后增加量減緩。驗證了在火星表面基本環(huán)境條件下，應(yīng)用此方法可以從含有微量結(jié)晶水的土壤中采集到水分。

在以上研究基礎(chǔ)上繼續(xù)深入與擴(kuò)展，可為中國未來開展火星基地建設(shè)等任務(wù)提供火星原位水資源利用的相關(guān)技術(shù)儲備。該方法及相關(guān)技術(shù)亦具有在我國高寒干旱地區(qū)應(yīng)用的潛力。在上述裝置基礎(chǔ)上，后續(xù)將開展火星土壤集水速度及效率研究，獲得或制作多種具有不同平均含水量及不同含水量分布(隨深度)的模擬火星土壤，通過實驗獲得各自的集水速度及取水效率數(shù)據(jù)，為實際應(yīng)用提供可行性論證與參考依據(jù)，并在實驗與理論分析的基礎(chǔ)上建立工程模型，指導(dǎo)未來的任務(wù)設(shè)計。