الحاجة الماسة إلى المعالجة المسبقة للمياه في الظروف القصوى

فالماء هو أهم مورد لبقائه البشري، وإمداداته الموثوقة في البيئات المتطرفة - سواء في الفضاء العميق، أو على سطح القمر، أو في أكثر المناطق النائية في الأرض - يمثل تحديا هندسيا هائلا، وفي البعثات الفضائية، تكون تكلفة إطلاق المياه من الأرض هي من الفلكيات، سواء من الناحية المالية أو السوقية، وكل كيلوغرام من المياه ترسل إلى المدار يتطلب نفقات هائلة من الوقود، مما يجعل البعثات المزودة بأجهزة الاستنشاق.

وبالمثل، فإن البيئات الشديدة مثل محطات البحوث في أنتاركتيكا، والموائل في أعماق البحار، والمراكز الخارجية الصحراوية، ومناطق الكوارث، تواجه ندرة حادة في المياه، وفي هذه الظروف، لا تتوفر الهياكل الأساسية لمعالجة المياه التقليدية، وقد تكون مصادر المياه المحلية ملوثة بأملاح، أو معادن ثقيلة، أو مسببات للأمراض، أو ملوثات كيميائية، كما أن الحاجة إلى نظم متطورة من حيث الطاقة، ومعالجة للمياه، لم تكن أكثر إلحاحا.

Core Technologies Driving next-Generation Water Treatment

وتعتمد نظم معالجة المياه الحديثة في البيئات المتطرفة على مجموعة من التكنولوجيات المتقدمة، يتناول كل منها أنواعاً محددة من الملوثات، وتجمع أكثر النهج واعدة بين طرق متعددة بطريقة تآزرية لتحقيق تطهير شبه كامل مع الحد الأدنى من مدخلات الطاقة وصيانتها.

نظم تصويب مقاييس

وتُعدُّ هذه المقاييس الجيل القادم من نظم معالجة المياه، كما أنَّ التحلل الدقيق للثديين (MF) وأجهزة التبريد (UF) تُزيل المواد الصلبة المعلَّقة من الناحية المادية، والبكتيريا، والفيروسات من خلال الاستبعاد من الحجم، بينما يمكن أيضاً أن ترفض أجهزة التحلل الحراري مركبات عضوية مُنحلة وأوعية مُغطِّية.

التلقيح العكسي للتحلل والتجديد

(أ) إن تركيبة الأشعة العكسية (RO) هي عملية محركة للضغط تُحمّل المياه من خلال حمض نصف قابل للتداول، وترفض الملح المُحلّي والمعادن والجزيء العضوي (RO) تستخدم على نطاق واسع بالفعل في تحلية المياه البحرية على الأرض، ولكن بالنسبة للبيئات الفضائية والشديدة، يتمثل التحدي في تحقيق معدلات رفض عالية مع الحد الأدنى من استهلاك الطاقة.

التعقيم فوق البنفسجي والتوثيق المتطور

إن التعقيم في إطار نظام " أولتراف " هو طريقة مثبتة لتفعيل الكائنات المجهرية دون استخدام المواد الكيميائية، مما يجعله مثالياً لإنتاج المياه الصالحة للشرب في نظم دعم الحياة المغلقة، ومع ذلك فإن المصابيح الفوقية الثابتة هي مادة مائية متداخلة تحتوي على الزئبق، وهي تشكل مخاطر في الفضاء، وعند استخدام نظم الجيل التالي للتحكم في الملوثات العضوية الثابتة (UV-LEDugs) التي تُعددغُصُصُصَّبُصَّتُصَّتُعَّت

التكنولوجيات الناشئة: إلكتروكيميائي، وحيوية، ونُهج هاجينة

وبالإضافة إلى التكنولوجيات القائمة، فإن العديد من النهج الناشئة تضغط على حدود ما يمكن أن يحدث في المعالجة القصوى للمياه، كما أن العمليات الكيمائية الكهربية، بما في ذلك إزالة الأنهار، والتحلل الكهربائي، واستخدام الحقول الكهربائية لإزالة الأنهار من المياه دون ضغوط عالية أو طاقة حرارية، وهذه النظم جذابة بشكل خاص لمعالجة المياه البيرية أو الأكواخ المركَّزة، حيث يمكن أن تحقق إزالة الملح مع استهلاك أقل من الطاقة.

إدماج في نظم دعم الحياة في مجال المركبات الفضائية والموئل

ويتطلب تحويل هذه التكنولوجيات الأساسية إلى نظم دعم الحياة التشغيلية إدماجاً دقيقاً مع النظم الفرعية الأخرى للمركبات الفضائية، بما في ذلك الطاقة، والتحكم الحراري، والرصد، والهدف هو تحقيق إعادة تدوير المياه المغلقة، حيث تُعالج جميع المياه المستعملة، بما في ذلك البول، والمياه الصحية، والتكثيف، وتُعاد إلى الطاقم كمياه قابلة للشرب، وتُعاد النظم الحالية في برنامج استعادة المياه في المستقبل إلى نحو 90 في المائة، ولكن مخططي البعثات إلى أدنى حد ممكن

محطة الفضاء الدولية

ويستخدم نظام استعادة المياه التابع لمؤسسة خدمات الدعم الدولية مزيجاً من التحلل، والولادة، والأكسدة الحفازة لتجهيز مواقد البول والرطوبة، وتستعمل جمعية تجهيزات الأورين تقلل من توترات التكاثر في فصل المياه من براميل البول، بينما تستخدم جمعية تجهيز المياه في إنتاج المواد الكيماوية المتعددة، وتزيل المفاعلات المحفزة.

Artemis Program and Lunar Base requirements

وفي إطار برنامج " أرتيميس " ، تعتزم الوكالة إنشاء وجود بشري مستدام على سطح القمر، بما في ذلك قاعدة قمرية ومحطة مدارية في غيتواي، وتواجه البعثات القمرية تحديات فريدة: يمكن استخراج المياه من الجليد القطبي، ولكن الموائل البوليتية تحتوي على غبار سمي يمكن أن يصيب نظم المعالجة، وبالإضافة إلى ذلك، فإن دورة الليالي الحديدية تعني الطاقة الشمسية هي الحد الأدنى من الطاقة، مما يتطلب نظما قادرة على العمل في إطار نظام " مأمونار " .

Mars Mission closed-Loop Recycling

وبالنسبة لبعثة المريخ، التي يمكن أن تستمر ثلاث سنوات أو أكثر، فإن إعادة تدوير المياه ليست اختيارية، بل هي شرط ضروري من البعثات، كما أن حجم المياه اللازمة لطاقم من أربعة أفراد على مدى ثلاث سنوات، يصل إلى عشرات الأطنان، مما يجعل إعادة الإمداد من الأرض غير عملية تماماً، كما أن بعثات المريخ ستحتاج إلى استعادة مياه مسطحة منتهية، بما في ذلك تجفيف كميات كبيرة من الماء لاستخراج كل قطرة من المياه الجوفية.

التطبيقات الأرضية في البيئات القصوى

نفس التكنولوجيات التي يجري تطويرها للفضاء تجد تطبيقات حيوية في أكثر البيئات تطرفاً في الأرض حيث ندرة المياه والتلوث هما قضايا ملحة، وتوفر حالات الاستخدام الأرضي هذه اختبارات قيمة للنظم الفضائية مع توفير فوائد إنسانية واقتصادية فورية.

محطات البحوث القطبية

وتمارس محطات البحث في أنتاركتيكا ومنطقة القطب الشمالي عملها في بعض من أبرد وأحوالها وأشدها عزلة على الأرض، حيث يتم عادة الحصول على المياه العذبة عن طريق تذويب الثلج أو الحفر بواسطة الجليد، ولكن كلا الأسلوبين كثيفة الطاقة ومحدودة من جراء الظروف المحلية، كما أن نظم معالجة المياه المتقدمة التي يمكن أن تعيد تدوير المياه الرمادية والمياه السوداء من شأنها أن تقلل من الحاجة إلى تذوب الثلج الطازج، وتج الطاقة وتخفض البصمة البيئية لعمليات البحث.

الموئلات في أعماق البحار

(ب) يمكن أن تواجه موائل المياه الجوفية، مثل تلك المستخدمة في البحوث البحرية أو في المواقع الأمامية لسقوط المحيطات في المستقبل، تحديات مماثلة للموائل الفضائية: العزلة، وقيود الطاقة، والحاجة إلى دعم حياة مقفلة، ويجب أن تعالج معالجة المياه في هذه البيئات تطفل المياه المالحة، والضغط العضوي من الكائنات البحرية، والضغوط المرتفعة للمحيط العميق.

العمليات المتعلقة بالمشاة والمناطق القاحلة

وفي البيئات الصحراوية، كثيرا ما تكون مصادر المياه مُتذبة أو ملوثة بمعادن ثقيلة من التعدين أو النشاط الصناعي، وتُستخدم وحدات معالجة المياه المحمولة التي تجمع بين الـ R والـتعقيم بالأشعة فوق البنفسجية ذات الطاقة الشمسية، في مناطق مثل الصحراء، وشبه الجزيرة العربية، والخارجة الأسترالية، وتُستخدم هذه الوحدات بما يكفي لنشرها في حقائب الظهر أو في المركبات الصغيرة، ويمكن أن تُندُ الابتكار في مجال المياه من أي مصدر تقريبا.

الاستجابة للكوارث والمعونة الإنسانية

وكوارث طبيعية مثل الفيضانات والزلازل والأعاصير غالبا ما تضر بإمدادات المياه البلدية، مما يؤدي إلى تفشي الأمراض المنقولة عن طريق المياه، ويمكن أن توفر نظم معالجة المياه السريعة مياه الشرب المأمونة في هذه الحالات الحرجة، كما أن الجيل القادم من تكنولوجيات الفضاء يوفر مزايا عديدة: فهي مدمجة، خفيفة الوزن، ويمكن أن تُغرق أو تنقل في مركبات صغيرة، كما أنها تحتاج إلى الحد الأدنى من التدريب على استخدام المواد الكيميائية، كما أنها تعالج معظم المواد المضافة من المعالجة من خلال آلية الرصد.

المستقبل توجيهات وجبهة البحوث

ويسير مجال معالجة المياه في البيئات المتطرفة بسرعة، مدفوعا بالضرورات المزدوجة لاستكشاف الفضاء والاستدامة الأرضية، وعد العديد من اتجاهات البحث بتقديم نظم أكثر قدرة في العقد القادم.

نظم الحكم الذاتي ذات الطاقة المتجددة

ومن الأهداف الرئيسية تطوير نظم معالجة المياه تكون مكتفية ذاتياً تماماً، ولا تتطلب أي طاقة خارجية أو مواد كيميائية قابلة للاستهلاك، كما أن النظم ذاتية الطاقة الشمسية التي تجمع بين الألواح الضوئية ووحدات تخزين الطاقة والعلاج الكفء تتجلى بالفعل في التجارب الميدانية، وتتمثل الخطوة التالية في إدماج هذه المكونات في وحدة واحدة مبسطة يمكن أن تعمل لسنوات دون صيانة.

النهج البيولوجية والنُهج المُستنَزَمة بيولوجياً

إن أساليب المعالجة البيولوجية، مثل خلايا الوقود المجهري والنظم القائمة على الطحالب، تتيح إمكانية تنقية المياه ذات الطاقة المنخفضة، إلى جانب استرداد الموارد، وعلى سبيل المثال، يمكن لخلايا الوقود المجهرية أن تكسر النفايات العضوية وتولد كمية صغيرة من الكهرباء، التي يمكن استخدامها في أجهزة استشعار الطاقة أو المضخات، ويمكن أن تزيل النظم القائمة على الألغاز المغذية من نُهج المياه المستعملة وتنتج الكتلة الإغذية الحيوية التي يمكن استخدامها في الوقت نفسه كقنيزر.

الرصد الذكي والتفعيل الأمثل

وتولد نظم معالجة المياه الحديثة كميات كبيرة من البيانات من أجهزة الاستشعار التي تقيس معدلات التدفق والضغط ودرجات الحرارة والسلوكية ومستويات التلوث، ويمكن أيضاً أن تحلل نظم المعلومات الاستخبارية والتعلم الآلي هذه البيانات في الوقت الحقيقي للتنبؤ بحركات الحرق والارتفاع الأمثل بدورات التنظيف واكتشاف أوجه الخلل قبل أن تؤدي إلى فشل النظم، وبالنسبة للبعثات الفضائية التي يكون فيها الوقت المتاح للطاقم محدوداً، وتكيف الاتصالات بشكل مستمر

خاتمة

إن تكنولوجيات معالجة المياه في الجيل القادم تمثل تقاربا في الابتكارات يحفزه أكثر البيئات احتياجا: فمن فراغ الفضاء إلى أعماق المحيط، ومن الغطاء الجليدي القطبي إلى الصحراء القاحلة، ومن ثم فإن مبادئ الدمج والكفاءة في استخدام الطاقة والموثوقية والاستقلالية التي تعد أساسية بالنسبة للبعثات الفضائية هي أيضا ذات قيمة متساوية بالنسبة للتطبيقات الأرضية في المناطق الشديدة الحساسية والمدربة من الموارد.