2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫——火星表面水資源的利用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述火星表面水資源的存在形式及其主要分布區(qū)域。二、解釋在火星低重力（約為地球38%）和低氣壓（平均約0.6kPa）環(huán)境下，水的物理性質(zhì)（如沸點、冰點）與地球有何顯著差異，并分析這些差異對水資源提取和利用技術(shù)提出的主要挑戰(zhàn)。三、比較兩種不同的火星水冰提取技術(shù)（例如，熱融化法與氣動破碎法）的原理、優(yōu)缺點及適用條件。四、闡述至少三種不同的火星水純化技術(shù)，并簡要說明每種技術(shù)的原理及其主要用于去除哪種類型的水污染物（例如，溶解性鹽分、懸浮顆粒物、有機(jī)物或微生物）。五、設(shè)想一個位于火星赤道附近平原的小型科研基地，該地區(qū)地表下1米處有豐富的水冰資源。請設(shè)計一個簡化的水冰提取與初步純化方案，包括主要設(shè)備類型、能量需求估算（假設(shè)使用太陽能和核能組合供電）、以及可能面臨的主要技術(shù)風(fēng)險和應(yīng)對措施。六、火星上的飲用水不僅要純凈，還需要補(bǔ)充人體所需的礦物質(zhì)?；趶幕鹦翘崛〉乃?，簡述至少兩種在火星基地上制備礦物質(zhì)飲用水的方法，并分析其可行性和潛在問題。七、除了生命支持，火星水資源在基地建設(shè)（如建筑材料生產(chǎn)）和能源生產(chǎn)（如電解水制氫）方面有哪些潛在應(yīng)用？選擇其中一項應(yīng)用，詳細(xì)說明其利用原理、所需過程以及相關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)。八、評估將大氣水汽作為火星基地長期飲用水來源的可行性。分析其優(yōu)勢、劣勢以及實現(xiàn)大規(guī)模利用可能需要克服的關(guān)鍵技術(shù)障礙。九、隨著人類在火星活動規(guī)模的擴(kuò)大，對水資源的可持續(xù)利用變得至關(guān)重要。討論實現(xiàn)火星水資源閉環(huán)利用（即最大限度地回收和再利用水）需要考慮的關(guān)鍵因素和技術(shù)途徑。十、近年來，一些私人公司宣布了載人登陸火星的計劃。從水資源利用的角度，你認(rèn)為這些商業(yè)計劃在技術(shù)實現(xiàn)上面臨的最大挑戰(zhàn)是什么？并說明你對未來火星水資源利用領(lǐng)域最具突破性的技術(shù)進(jìn)展有何期待。試卷答案一、火星表面水資源主要存在形式為：地表水冰（常出現(xiàn)在高緯度地區(qū)和特定地貌單元如“舌狀沉積物”）、次表層水冰（廣泛存在于地下）、極地冰蓋（主要位于南北極）、大氣水汽（含量極少且難以利用）。主要分布區(qū)域與水冰儲量密切相關(guān)，高緯度地區(qū)、赤道附近的某些高地和峽谷下方被認(rèn)為是地下冰儲量較豐富的區(qū)域。二、火星低重力（約為地球38%）使得水的密度略有降低，但更顯著的影響是低氣壓（平均約0.6kPa）。在如此低的氣壓下，水的沸點急劇下降至約10-20°C，遠(yuǎn)低于地球常溫沸點（100°C）。同時，冰點也受到壓力影響而略有降低。這些差異導(dǎo)致：1）水更容易蒸發(fā)而非沸騰；2）需要更低的能量即可使水冰融化；3）維持液態(tài)水需要有效的密封和加壓系統(tǒng)；4）水的表面張力等性質(zhì)也與地球不同，影響微流控和材料濕潤性，給熱交換、管道設(shè)計、植物生長等帶來挑戰(zhàn)。三、1.熱融化法：原理是利用外部熱源（如太陽能集熱器、電阻加熱器、放射性同位素?zé)嵩矗┨岣咚鶞囟戎疗淙埸c以上，使其轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)水。優(yōu)點是技術(shù)成熟、原理簡單。缺點是能量消耗大（尤其在火星低溫環(huán)境下）、提取速率可能較慢、對于深埋或大規(guī)模冰體提取效率不高。適用于淺層、小規(guī)?；驕囟认鄬^高的區(qū)域。2.氣動破碎法（或稱“氣動鉆探”）：原理是利用高壓氣體（如壓縮空氣）快速噴出，產(chǎn)生沖擊波和高速微射流，沖擊、破碎水冰塊，或?qū)⒈即底?。?yōu)點是可以在一定程度上同時進(jìn)行破碎和清除（如果環(huán)境允許吹走），對某些堅硬或layered的冰體效果較好，可能能量效率高于單純加熱。缺點是設(shè)備可能較復(fù)雜、噪音和振動較大、產(chǎn)生的粉塵可能污染水源需要額外處理、對大氣壓力有要求。適用于需要快速破碎或清除冰體的場景，或與其他方法結(jié)合使用。四、1.物理過濾：原理是利用具有不同孔徑的濾料（如活性炭、砂濾、膜過濾）截留水中的懸浮顆粒物和部分大分子有機(jī)物。主要用于去除泥沙、沉淀物等物理雜質(zhì)。2.化學(xué)沉淀：原理是向水中投加化學(xué)藥劑，與目標(biāo)污染物發(fā)生反應(yīng)生成不溶性沉淀物，然后通過過濾或沉淀分離去除。例如，加入氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH使溶解性重金屬離子沉淀，或加入鋁鹽/鐵鹽使磷酸鹽沉淀。主要用于去除溶解性鹽類、重金屬離子、磷酸鹽等。3.反滲透（RO）：原理是利用半透膜在外力（壓力）驅(qū)動下，選擇性地允許水分子通過而阻止離子、分子和大部分大分子物質(zhì)通過。可以去除幾乎所有的溶解鹽分、有機(jī)物、細(xì)菌和病毒。是目前制取高純水（如飲用水）的常用方法，但能耗較高，且需要預(yù)處理以保護(hù)膜。五、簡化方案設(shè)計：1.設(shè)備：挖掘機(jī)（用于表層土壤剝離）、熱鉆探系統(tǒng)（集成加熱元件和鉆頭，用于提取地下冰）、熱交換器（冷卻提取過程、加熱回收的冷凝水）、儲水罐（初級儲冰區(qū)和液態(tài)水儲罐）、蒸餾單元或反滲透單元（純化水）、太陽能聚光器/核反應(yīng)堆（提供電力）、水泵和管道系統(tǒng)。2.能量需求估算：主要能耗在于融化冰和維持系統(tǒng)運(yùn)行。融化熱Q≈M*L_f(M為冰質(zhì)量,L_f為冰熔化潛熱)。鉆探和機(jī)械作業(yè)也需要能量。假設(shè)每日需提取并純化10kg水，若冰溫為-20°C，需提供其融化潛熱和升溫至0°C的熱量，再考慮純化過程的能耗?？偰芎娜Q于太陽輻照強(qiáng)度、系統(tǒng)效率、基地電力需求等。需進(jìn)行詳細(xì)熱力學(xué)和能量平衡計算。3.主要風(fēng)險與應(yīng)對：*輻射暴露：若使用核能，需考慮輻射屏蔽設(shè)計和人員防護(hù)。應(yīng)對：加強(qiáng)屏蔽材料設(shè)計，嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，對工作人員進(jìn)行劑量監(jiān)測和培訓(xùn)。*冰層厚度/性質(zhì)未知：可能遇到堅硬冰層、夾層或污染物。應(yīng)對：利用雷達(dá)等探測手段預(yù)勘，設(shè)計可調(diào)節(jié)功率和鉆速的鉆探設(shè)備，準(zhǔn)備備用方案。*能源中斷：太陽能受天氣影響。應(yīng)對：采用太陽帆板+儲能電池+核能備份的混合供電方案。*水資源污染：地下冰可能含有高鹽分、重金屬或有機(jī)物。應(yīng)對：在純化流程中設(shè)置必要的預(yù)處理和深度凈化步驟。六、1.水化學(xué)沉淀法：原理是在水中加入特定化學(xué)試劑（如磷酸鈣、碳酸鈣、氯化鎂等），使溶解的鈣、鎂、鉀、鈉等離子與試劑反應(yīng)，生成不溶于水的碳酸鹽、磷酸鹽或氫氧化物沉淀下來，從而提高水的礦物質(zhì)含量，使其更符合人體需求。例如，加入氯化鎂可以提高鈉、鎂含量；加入磷酸氫鈣可以提高鈣、磷含量。潛在問題包括試劑純度、副產(chǎn)物生成、沉淀控制精度、成本以及是否引入地球化學(xué)生物學(xué)風(fēng)險（需嚴(yán)格評估）。2.水-巖石反應(yīng)法（類似地球火山溫泉）：原理是利用水與火星地表或地下的巖石（特別是富含礦物質(zhì)如長石、輝石、碳酸鹽的巖石）在適宜的溫度和壓力下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（水熱反應(yīng)），使礦物質(zhì)溶解到水中。例如，水與輝石反應(yīng)可釋放鈣、鎂、硅、鐵等元素。需要加熱系統(tǒng)提供反應(yīng)所需溫度。潛在問題包括反應(yīng)效率控制、確保巖石來源的安全性（無有毒物質(zhì)）、能源消耗、反應(yīng)產(chǎn)物純度控制。七、應(yīng)用：生產(chǎn)混凝土。利用原理：混凝土主要由水泥、水、砂、石骨料組成。水是水泥水化的必要條件，水化反應(yīng)生成凝膠體，將骨料粘結(jié)在一起，形成堅硬結(jié)構(gòu)。在火星上，可以直接利用提取和純化后的水作為混凝土的組分。通過精確控制水灰比（水與水泥的質(zhì)量比），可以調(diào)節(jié)混凝土的強(qiáng)度和工作性能。所需過程：1)提取并純化水；2)從火星土壤或巖石中提取并處理砂、石骨料（可能需要破碎、篩分、清洗）；3)生產(chǎn)水泥（火星環(huán)境下的水泥生產(chǎn)是關(guān)鍵挑戰(zhàn)，可能需要利用當(dāng)?shù)氐V產(chǎn)資源，如天然硅酸鹽巖石，通過高溫煅燒或化學(xué)方法合成類似水泥的物質(zhì)）；4)按照設(shè)計配比將水、水泥、骨料混合均勻；5)澆筑并進(jìn)行早期養(yǎng)護(hù)（可能需要特殊環(huán)境控制，如溫度、濕度和壓力）。技術(shù)挑戰(zhàn)：*水泥生產(chǎn)：火星大氣缺乏二氧化碳，且原料成分與地球不同，需要開發(fā)新的水泥合成工藝，能源需求巨大。*骨料處理：火星土壤（風(fēng)化層）可能含有高氯酸鹽等有毒物質(zhì)，需要清洗和凈化處理，且其物理性質(zhì)（如顆粒級配、壓實性）可能與地球砂石不同，影響混凝土性能。*低重力效應(yīng)：低重力下混凝土的流動性、沉降和開裂行為可能與地球不同，需要調(diào)整配比和施工工藝。*低溫環(huán)境：火星表面溫度低，影響水泥水化速率和早期強(qiáng)度發(fā)展，需要采取保溫或加熱措施。八、可行性評估：將大氣水汽作為長期飲用水來源在技術(shù)上是可行的，但極具挑戰(zhàn)性。大氣中水汽含量極低（全球總量估計僅相當(dāng)于不到1米深的水層），提取效率是關(guān)鍵瓶頸。優(yōu)勢：水資源總量巨大（相對于基地需求而言）；不受地下冰儲量分布限制；技術(shù)路徑與生命支持系統(tǒng)（如空氣凈化）可能存在耦合點。劣勢：提取能耗極高（需要強(qiáng)大的吸附劑或冷凝系統(tǒng)，并消耗大量能源）；技術(shù)復(fù)雜度大；對大氣水汽分布和季節(jié)性變化的適應(yīng)性要求高；系統(tǒng)可靠性要求極高，故障可能導(dǎo)致嚴(yán)重缺水。關(guān)鍵技術(shù)障礙：*高效低耗吸附/冷凝材料與技術(shù)：需要開發(fā)能夠在大氣壓下高效吸附水汽、脫附再生性能優(yōu)異、且在火星低溫下工作效果好的材料和方法。例如，金屬有機(jī)框架（MOFs）、沸石、電解水制氫副產(chǎn)品（氬氣）吸附水汽等。*能源供應(yīng)：大規(guī)模、持續(xù)運(yùn)行的水汽提取系統(tǒng)需要穩(wěn)定且強(qiáng)大的能源支持，在遠(yuǎn)離太陽或基地電力緊張時難以實現(xiàn)。*系統(tǒng)可靠性與維護(hù)：在惡劣的火星環(huán)境中，保證復(fù)雜提取系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行和遠(yuǎn)程維護(hù)是巨大挑戰(zhàn)。*成本效益：與直接開采地下冰相比，大氣水汽提取的初始投資和運(yùn)行成本可能高得多。九、實現(xiàn)火星水資源閉環(huán)利用需要考慮以下關(guān)鍵因素和技術(shù)途徑：*關(guān)鍵因素：*高提取和純化效率：提高從各種來源（地冰、大氣、廢水）獲取可用水的效率，并確保純化過程有效且能耗低。*多樣化水源管理：能夠整合利用多種水源，并根據(jù)不同來源的水質(zhì)和特性選擇合適的處理方法。*高效利用與回收：在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑等各個環(huán)節(jié)最大限度地節(jié)約用水，并實現(xiàn)廢水（如尿液、生活污水、工業(yè)冷卻水）的高效處理和回用。*系統(tǒng)集成與優(yōu)化：將水處理、水分配、水回收等環(huán)節(jié)整合成一個高效、可靠、自動化的系統(tǒng)。*長期運(yùn)行維護(hù)：確保水系統(tǒng)在火星長期、極端環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行和可持續(xù)維護(hù)。*技術(shù)途徑：*先進(jìn)提取技術(shù)：如高效大氣水汽吸附/冷凝材料與技術(shù)、低能耗地?zé)?太陽能融冰技術(shù)。*多級純化與再生技術(shù)：如結(jié)合反滲透、電滲析、蒸餾、電化學(xué)氧化等技術(shù)的混合純化系統(tǒng)，以及廢水處理與中水回用技術(shù)。*按需供水與精準(zhǔn)控制：利用傳感器和智能控制系統(tǒng)，根據(jù)實際需求精確分配和調(diào)配水資源。*新型水處理材料：如可降解、高效率的膜材料、智能吸附劑等。*水-物質(zhì)循環(huán)耦合：將水資源管理與氧氣生產(chǎn)、氫氣生產(chǎn)、建筑材料生產(chǎn)等其他資源利用過程進(jìn)行耦合優(yōu)化。十、最大挑戰(zhàn)：能源的可持續(xù)、高效率供應(yīng)與自給是水資源利用及其他一切火星活動的基礎(chǔ)，也是最大的挑戰(zhàn)。火星基地需要巨大的能源來支持生命支持、水資源提取與純化、工業(yè)生產(chǎn)、通信、運(yùn)輸?shù)人谢顒?。目前可行的太陽能方案受天氣和晝夜交替限制，核能是更可靠的選項但面臨政治和技術(shù)安全顧慮。實現(xiàn)能源自給（例如，通過核裂變、