火星土壤中水分提取方法研究及模拟实验

李丹明，李 毅

(兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州730000)

1 引言

载人登陆火星往返火星的时间太长且代价太大，应建设具备长期驻人条件的火星基地。为此，必须解决火星基地中人居环境所必不可少的水源问题，显然从地球运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资源利用(In-Situ Resource Utilization，ISRU)理念开展火星水冰开采、土壤水分提取、大气水分子收集等途径与方法的研究工作，为未来驻人火星基地的选址及水资源的利用提供技术基础。

存在于火星大气中的水分子也属火星的水资源，从火星大气中提取水蒸气是可行的，然而水分在大气中含量较少，占比仅为0.03%。对火星水资源探测研究表明，火星地表的水资源主要存在于火星北极与南极的冰冠以及火星的土壤中。2007年美国科学家唐纳德·拉普在全面回顾了火星某些地区近地表面存在HO的证据，HO在高纬度地区以冰的形式存在，在低纬度地区以冰或者近地表面岩层中含水矿物的形式存在。火星近地表面是指火星表岩层顶部到地下最多2 m处，理论模型和探测数据的结果非常有力地说明了近地表面的HO在火星高纬度地区分布广泛，并且探测数据显示HO在某些区域已接近赤道纬度附近。目前，科学研究认为，火星极区附近土壤中存在大量水冰，赤道附近土壤中水含量约为3%～8%。NASA在2015年做出的关于火星原位资源利用的综述报告中给出了奥德赛号火星探测器利用伽马光谱仪对火星表面米级深度中氢存在的探测结果，而氢的存在则被解读为存在某种形式的水。最新研究表明，火星土壤中水分的赋存形式主要有含水矿物(化合态)与脏冰(结晶态)。因此，火星地表赋存的水可作为主要的水资源而加以利用。为了未来实现火星水资源的获得，需重点针对火星中的含水土壤，探索一种使处于低气压环境中含水量少的土壤在太阳光加热下发生升华、进而凝结成霜的方法，并设计相应的模拟实验装置对此加以验证。

土壤光热取水方法在地球上是可行的，利用温室效应取水则是野外生存的一项实践，然而能否在火星上有效应用，尚需在地球表面进行模拟实验验证。国外曾搭建过小行星水提取模拟实验装置，并进行了相应的实验验证；国内开展火星原位资源利用的相关研究较晚，内容也较少。在土壤光热取水方面的研究中，李居平等研究了太阳光辐射热量在土壤内传递并使其中含有的水冰升华相变的过程，分析了在有效太阳辐照度随照射角度变化的热流边界条件下带有冰升华潜热内热源的一维导热问题，提出了火星浅层土壤内冰的升华导热模型；在此基础上代入火星土壤热物理参数并简化了计算条件，从而得到了较为理想化的计算分析结果。

本文依据火星土壤中水分的赋存形式，进行浅层土壤结晶水分的采集方法研究，对方法的原理可行性进行分析计算，在此基础上设计与搭建火星土壤低气压光热取水地面模拟实验装置，并利用模拟火星土壤进行初步的实验验证。

2 可行性分析

火星全年平均温度处于-60～-50℃之间，平均气压相当于0.006个大气压，约为600 Pa，低于水三相点处的气压，因此提高土壤温度到大约-10℃以上，便可使土壤中以结晶水形式存在的水分得以升华。根据克劳修斯-克拉贝龙方程可得到冰升华温度T与气压较为准确的关系，见公式(1)。

升华水蒸气的扩散遵从菲克定律。火星大气压力仅为0.006个大气压，平均密度为0.0166 kg/m，其中水的含量为0.03%，水蒸气在此条件下的扩散速率大于在地球大气压下的扩散速率，并接近于在真空中的扩散速率。倘若升华且快速运动的水蒸气到达一个温度足够低的表面，则将大部分凝结于此，所形成的霜则能够被有效收集。

据此，本文提出了以火星表面太阳光辐照为热源加热浅层土壤，致其水分升华扩散，进而进行凝结收集的方法。设想将一个特别设计的罩体置于需取水的土壤上，该罩体既有保持结构形状的强度性能，又有高红外透过率特性。利用太阳光辐射能量加热罩内的土壤，使其升华并冷凝成霜，则可进一步实现水的收集，此方法原理见图1。在一块区域内进行了一段时间的水收集操作之后，再移动至下一块区域继续进行；霜积累到一定厚度后，通过刮取或者加热融化予以收集。

根据浅层土壤内冰的升华导热模型，采用有限差分法计算一定厚度土壤内的冰升华时间。设置模拟光源垂直照射土壤表面，辐照强度q不变。辐照热量以辐射的方式传递给冰结层的升华界面，其导热微分方程为式(2)。

图1 土壤水分升华凝霜过程示意图Fig.1 Schematic diagram of sublimation and frosting of soilmoisture

其中，λ、ρ和c分别为火星土壤的热导率、密度和比热容，x为土层深度，q为体积内热源，T为冰结层初始温度。采用显示差分方程将原微分方程离散，对于一阶微分采用向前差分，二阶微分采用中心差分，即式(3)。

当相变温度恒定时，对于含有潜热的导热问题通常采用温度补偿法来处理潜热。设在Δτ时间内，1个单元中升华率增加Δf，其吸收的潜热为式(4)。

若Δf≥1，说明单元中的冰已完全升华。此时Δf＝1，由式(6)可得此刻的单元修正温度为式(7)。

表1 模拟火星土壤的物理特性参数Table 1 Physical characteristic parameters of the simulated M artian soil

3 实验装置

在以上理论及方法研究基础上，设计了低气压光热取水模拟实验装置，装置的结构示意图及实物见图2所示。该装置主体由上下2部分构成，上半部分为半球型容器，由塑料透明半球空心体、金属网格半球空心体和金属半球网格支撑金属骨架组成，具备土壤样品光热集水的密闭、透光、冷凝等功能；下半部分为金属壳柜体，由金属吸气管、底座和表面打孔金属柜组成，用于承担上半部重量，并提供抽气源及冷媒源。

图2 低气压光热集水模拟实验装置模装图及实物Fig.2 Schematic diagram and photo of simulated hypobaric water extractor using light and heat resources

半球容器的壳体由多层材料组成，整体具备结构强度高、透光率高、热导率高的特性；最外层薄膜选用高强度/高红外透过率的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜，对太阳光(总能量)的透过率高达90%。

金属网格半球空心体用于导热，可选用铜、铜合金、铝、铝合金或不锈钢等具有良好导热性能的金属材料，本装置采用铝合金材料作为容器结构支撑材料及壳体形状保持材料，具有较高的热导率(238W/m·K)。

金属网格半球支撑骨架起支撑作用，避免塑料透明半球空心体在真空条件下产生变形，其材料优选铜、铝或铝合金；金属管采用铜管，用于输送冷却介质；用木材或塑料作为底座。

塑料透明半球空心体放置在底座上，与底座形成一个封闭的半球型空腔，具有良好的气密性，内部可用泵抽至10 Pa的气压，远小于火星的平均值大气压(约600 Pa)，且在停止抽气后的2～3 h以内，气压能够保持小于500 Pa。

采用该实验装置提取水时，将土壤放置在底座上，通过冷却介质源控制半球形空腔内壁的温度以便使土壤中升华的水分能够在半球形空腔内壁上凝华；通过真空泵调控半球形空腔内部的压力；通过太阳光模拟器模拟不同光照强度的太阳光。

采用石英晶体微量天平测量凝结的水分子量，计算收集速率及效率。

4 实验验证

在所搭建的低气压光热集水模拟实验装置上进行了土壤受光辐射加热及其结晶水升华、扩散、凝结过程的实验。在对可获得的火星土壤物理特性探测数据进行了分析以及对多家机构研制的模拟土壤调研基础上，实验选用的模拟火星土壤物理特性参数见表1。

实验过程为:将制冷至-55℃(火星全年温度的平均值)的模拟火星土壤装置于模拟实验装置的样品台上，厚度设置为2 mm，随即用包裹着黑布的半球型容器密闭测试空间，并开启真空泵抽气，同时打开装置中配备的液氮冷却介质，通过管道及金属网格给容器壳体降温。控制抽气流导使容器内部气压保持在500～600 Pa之间。此时去除外包覆的黑布，使模拟光源透过容器的薄膜壳体，垂直照射在土壤表面上，加热土壤，使土壤中的水分在此低气压条件下开始受热升华，并向容器内表面扩散。前期对容器壳体的降温已使其低于0℃，于是扩散至此的水分在壳体内表面上凝结成霜，使用石英晶体微量天平(QCM)对水分凝结量进行了测试。

实验获得的容器顶端单位面积上的水分凝结量随时间的变化如图3所示。水分凝结量随加热时间持续增多。开始时，水分凝结量随时间快速增加，随后增加量减缓，大约2 h之后，水分凝结量随加热时间延长未有持续增多，这是因为模拟土壤中的水冰含量随着升华而逐渐减少。该实验结果与理论计算分析结果相一致，初步验证了火星含水土壤光热集水方法的可行性。

图3 水分子凝结量随时间的变化关系Fig.3 The condensed water as a function of time

5 结论

1)本文设计并研制了火星土壤低气压光热取水地面模拟实验装置，该装置结构简单，操作方便，可对不同光照水平、大气压力和温度等条件下的集水速度及效率进行研究，针对土壤的不同平均含水量以及含水量随深度的分布，可获取集水速度及效率数据。

2)利用模拟火星土壤进行了初步实验验证，获得水分凝结量随加热时间之间的关系:水分凝结量随加热时间持续增多；开始时水分凝结量随时间快速增加，随后增加量减缓。验证了在火星表面基本环境条件下，应用此方法可以从含有微量结晶水的土壤中采集到水分。

在以上研究基础上继续深入与扩展，可为中国未来开展火星基地建设等任务提供火星原位水资源利用的相关技术储备。该方法及相关技术亦具有在我国高寒干旱地区应用的潜力。在上述装置基础上，后续将开展火星土壤集水速度及效率研究，获得或制作多种具有不同平均含水量及不同含水量分布(随深度)的模拟火星土壤，通过实验获得各自的集水速度及取水效率数据，为实际应用提供可行性论证与参考依据，并在实验与理论分析的基础上建立工程模型，指导未来的任务设计。