SPACE SCHOOL

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毛細現象與水分回收再利用

水,是生命起源不可或缺的條件之一,它可以是繁衍生命的溫柔母親,亦能是切割地貌剛硬的雕刻刀,造就了今日的地球。

太空人Jack Fischer正在使用由3D列印出來的毛細管結構設備(中間的部分),該設備能夠吸附空氣中的二氧化碳

  如今各國早已不滿足於探索人們腳下的一切,紛紛朝著外太空發展。然而,隨著人類可以待在太空的時間越來越長,執行太空任務的時間甚至可以長達一年,在補給船到達國際太空站之前,我們得想辦法回收太空站裡的所有水分加以利用。

  自從2009年開始,藉由當時的蒸餾技術來處理太空人所產生的尿液、汗液以及冷凝水等等,國際太空站可將水分回收再利用的效率提高至85%,並將之轉為飲用水供給太空人使用,這種經過精密過濾的飲用水,甚至比地球上的任何水源(如山泉水、冰川等)都還要乾淨。

  與地球環境不同,有鑒於太空的無重力狀態和成本的考量,維修的難易度以及如何輸送水是這套循環回收系統需要克服的難題,NASA在太空人維生系統上正在努力延長太空人進行太空任務的時間。



圖一、NASA研究員何Osmosis水回收系統合照



  維生系統對於太空任務是非常重要的一環,尤其是當太空人距離地球非常遙遠時,處於微重力狀態下的維生系統,其運作方式有別於在地球上,例如收集和移動在表面上液體的方式。現今太空船上的回收系統包括利用旋轉和膜來將液體與氣體分離,由於這些設備在運作時容易受到污染,因此現在NASA已經開始著手另一項實驗 — 毛細現象(又稱毛細管作用)

  毛細管作用簡單來說便是該液體能夠在不經外力的影響下,透過自身的表面張力沿著細窄的管道移動。



圖二、毛細管結構實驗原型



  為了避免受到地球重力的阻礙,該實驗必須在太空中進行。實驗項目之一便是NASA的研發團隊藉由設計特定形狀的毛細管結構,例如不同的角度、高度、幾何形狀等等,研究其如何影響水分回收以及去除二氧化碳。

  因為水分的流動增加了水分蒸發的速率,科學家便可藉此來優化水分回收效率。由於毛細管結構可以利用3D列印直接列印出來,相較於原本使用的機器設備,所耗費的成本、重量以及佔據的空間皆得以大大地降低。

  另一部份的實驗則是去論證能夠吸附二氧化碳的液體藉由落下移動方式,去除二氧化碳並將之帶離。不過在微重力的狀態下,水流並不會真的往下流,實驗團隊會藉由毛細管結構,利用表面張力來達到此效果。



圖三、利用開放式的平行管道讓帶有二氧化碳吸附劑的液體能夠與氣體接觸並產生作用



  在蒐集足夠資料後,在不久的將來必定能夠找出最佳的幾何結構,並將之應用在維生系統上,相信一定可以替太空任務增添許多的便利性。



 



參考來源:



Capillary Structures For Exploration Life Support

https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/2364.html

2.  Investigation Tests New Methods Of Water Recycling In Space

https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/capillary_structures

3.  How dose astronauts get water in space?https://www.scienceabc.com/nature/universe/how-astronauts-drinking-water-space-iss-recycled-urine-cwc-contingency-water-containers.html

4.  封面圖、太空人Jack Fischer正在使用由3D列印出來的毛細管結構設備(中間的部分),該設備能夠吸附空氣中的二氧化碳https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/capillary_structures

5.  圖一、NASA研究員何Osmosis水回收系統合照

http://news.wef.org/water-recycling-technology-in-space-evolves/

6.  圖二、毛細管結構實驗原型https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/capillary_structures

7.  圖三、利用開放式的平行管道讓帶有二氧化碳吸附劑的液體能夠與氣體接觸並產生作用https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/capillary_structures



 

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