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 原文作者: CATHLEEN LAMBERTSON 发布时间: 2010-11-29 新闻来源: www.comsol.com



低温冷凝水位于月球两极土壤表面下。微波能量能够用于从多年的冻土中提取这些水。COMSOL可以帮助我们对提取的工艺进行精确的计算。



1999年，美国宇航局的月球勘探者在月球两极的陨石坑中发现了氢元素的存在迹象。科学家们很早就推测在月球两极中应该存在大量的氢元素，而美国宇航局的月球环形山观测和遥感卫星（LCROSS）最近又发现了能够证明月球上有水存在的新证据。来自LCROSS的最初的证据显示，2009年10月9日在月球南极附近Cabeus陨石坑的永久阴影区成功发现了水的存在。在现在这个空间研究正在超越原来的低地轨道范畴的时期，这些发现将会产生深远的影响。“月球上的水和其它化合物的发现是一种潜在的资源，将支持未来的月球探索。”

月球水的重要性



月球上的水和其它化合物的发现是一种潜在的资源，将支持未来的月球探索。美国宇航局马歇尔空间飞行中心（Huntsville，AL）材料与工艺实验室的材料科学家Edwin Ethridge博士提出，现场资源非常的重要，因为不再需要从地球运输。Ethridge博士介绍说“把物质送入太空的代价是非常昂贵的。与发射台上的火箭总重相比，送入太空的有效载荷只占非常小的一部分。例如，将一磅物质送上月球就要花费大约50,000美元。”
 

图1：新墨西克州立大学/马歇尔空间飞行中心用Tortugas 24望远镜拍摄的月球南极1. Labele合成图像

将有效载荷送入特定轨道的成本包括火箭、火箭硬件、发动机和推进剂的总成本。由于水是月球空间站需要补给的能源之一，因此也要计入到需要送入太空的有效载荷中。

虽然在月球空间站中水和氧气是可以回收的，但是没有那种工序能够达到100%的效率。Ethridge博士引用的评估报告表明，在月球空间站运行的早期阶段，每年大约需要各一顿的水和氧气。这一事实使得我们必须要为每个月球空间站研发一个专门的水提取工艺。一旦水被提取出来，氧气就可以通过电离水得到了。“我们正在研究从土壤中提取水的工艺。水就是水，通过净化就可以引用了。我们将提取水，然后就可以电离分解出氧气和氢气。”

提取工艺



Ethridge博士作为主要研究人员，参与了利用微波从地球土壤中进行可挥发物提取的研究，他断言，利用微波进行水分提取与其它方法相比具有独特的优势。“由于处于高度真空状态下，月球土壤中的热传导进行的非常缓慢。Apollo上的宇航员测得的热导率与超级隔热材料热凝胶相当。”此外，由于微波加热是由内向外的，因而这是有利的。也就是说我们可能不需要对月球的土壤进行挖掘，从而尽可能的减少月球尘埃以及对月球进行露天开采。简单的说，与其它方法相比，利用微波能够大大的降低复杂性，同时减少设施建和对电力和能源的需求。这就是为什么Ethridge博士正在研究适用于月球的微波提取工艺。

    微波萃取系统的基本组成包括一个微波源，向土壤中提供能量的波导，以及一个捕获水蒸气用的冷阱（如图2）。首先，微波能量进入土壤并对其进行加热，由于微波能量对于冰几乎没有作用，因而是它直接作用在凝结在冰表面的土壤颗粒上的。在月球上，水冰将直接升华为水蒸气。而在冷阱中，水蒸气将又再转变成冰。除了上面的基本组成部分外，我们还需要一个电源和一套运送萃取系统。

“由于温度会随着土壤的加热时间发生变化，而土壤的电导率和热导率都是随温度变化的，因而他们可以作为温度的函数设定到模型中。不论月球土壤具有什么样的特性，我们只需要将它输入COMSOL并进行计算就可以了。”

图2：展示了用于测试微波向月球土壤（盒子中）的辐射的硬件设备，以及安装在移动平台上的微波发生装置。初步测试微波能量与模拟结果的拟合情况。

月球模拟



由于微波水萃取工艺的参数和硬件要求是一个复杂的多物理场耦合问题，Ethridge博士受命通过模拟应对这一挑战。“当我拟定通过微波提取水的提议时，其中的一部分工作就是利用COMSOL进行计算。”

COMSOL被用于计算微波在模拟月球土壤中的渗透和加热。模拟物的特性通过在实验室中测得的复杂的介电常数和热导率近似。“我们改变模型中月球土壤的几何、使微波的频率和能量在一定范围内变化，并进行这一计算，”Ethridge博士说，“由于稳定会随着土壤的加热时间发生改变，与随温度变化的土壤的介电特性被嵌入随温度变化的土壤热导率中，在模型中进行设定。不论月球土壤具有什么样的特性，我们只需要简单的将他们输入到COMSOL中，并进行计算。”

图3：微波能量（0.5GHz）在土壤中传输和加热的瞬态解，颜色表示恒温等温线，AVI动画显示土壤在10小时内的加热情况。点击以下链接观看动画： http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2009/07oct_microwave/

在仿真计算中，Ethridge博士使用了RF模块来模拟微波能量在土壤中的渗透和衰减（图3）。当模型可以顺利计算后，再耦合加热和热流。利用瞬态分析确定用于描述加热现象的时间函数，并生成AVI动画演示加热过程中的等温线变化情况。“月球登陆任务有效载荷的初期试验要在规定的微波的频率、能量、以及电力输送的方法下进行。后续在不同微波频率条件下进行的试验需要投入大量的能量、人力和时间成本。COMSOL可以用来计算不同试验方案下的微波加热情况和渗透率，从而帮助我们节约了时间、人力和成本，并降低了对试验硬件的要求。”Ethridge博士向我们介绍到。

Ethridge博士下一步的工作就是要建立一个土壤中水蒸汽的渗流模型。目前南方研究所（Birmingham，AL）正在进行模拟月球土壤的达西常数(用于描述多孔介质中的流体流动)的测量工作。一旦数据的测量工作完成，水蒸气输运模拟的建模就能够完成了。

3D AVI动画显示了1KW的微波源是如何从顶部进入一个一立方米的模拟月球土壤，并对其进行加热的。动画观看地址：http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2009/07oct_microwave/

Edwin Ethridge博士向我们展示谁提取的工艺。 

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