中国、印度和美国都在2020年代实现了登月。到了那里，他们的最终目标就是建立一个基地。但一个成功的基地以及将载人前往的航天器必须适合人类居住。创建宜居基地的一个重要部分是确保供暖和制冷系统正常运行。

加热和冷却空间栖息地并不容易一个工程团队正在开发一种更轻更高效的解决方案

尤其如此，因为潜在的基地地点的环境温度可能变化很大。月球赤道温度范围为-208°F至250°F(-130°C至120°C)，类似地，火星上的温度范围为-225°F至70°F(-153°C至20°C)。

2011年，美国国家科学院发表了一份报告，概述了科学家为美国太空计划取得成功需要进行的物理和生命科学研究。该报告强调需要研究太空结构的加热和冷却系统。

我是一名工程学教授，当该报告发布时，我向美国宇航局提交了一份研究计划。我想研究一种叫做液气现象的东西。弄清楚这种现象背后的科学原理将有助于解决有关保持太空结构舒适且适宜居住的温度的重大问题。

在我们提交提案十多年后，我团队的项目现在正在国际空间站上进行测试。

随“流”而行

液体-蒸汽系统(或两相系统)涉及加热或冷却系统内液体和蒸汽的同时流动。虽然地球上的许多商用空调和制冷系统使用两相系统，但航天器和国际空间站上使用的大多数系统都是纯液体系统或单相系统。

在单相系统中，液体冷却剂流过系统并吸收多余的热量，从而提高液体的温度。这类似于汽车使用散热器冷却的方式。相反，系统中加热的液体会将热量释放到周围区域，从而将液体的温度降低到初始水平。

但液-汽系统可以比这些单相系统更有效地传递热量，而且它们比纯液体系统小得多、轻得多。在太空旅行时，你必须随身携带飞船上的所有物品，因此小型轻便的设备是必不可少的。

在封闭的两相液-汽系统中发生两个关键过程。其中，液体在称为“流动沸腾”的过程中变成蒸气。就像炉子上烧开水一样，在流动中沸腾液体升温并蒸发。

在太空使用的系统中，两相混合物通过热交换组件，将电子设备、功率设备等产生的热量传递到混合物中。当系统吸收热量并将液体转化为蒸汽时，产生的蒸汽量逐渐增加。

然后，发生流动冷凝，其中蒸气冷却并返回液体。在流动冷凝过程中，热量通过辐射到空间中而离开系统。

科学家们在一个闭环中控制这两个过程，这样他们就可以提取和利用冷凝过程中释放的热量。未来，这项技术可用于控制前往月球、火星或更远地方的航天器的温度，甚至可以用于控制月球和火星表面的定居点或栖息地的温度。

流动冷凝模块中微重力下的蒸汽冷凝。

构建和测试

在美国国家航空航天局(NASA)的资助下，我设计了一个名为“流动沸腾和冷凝实验”的实验程序。我的团队为实验构建了一个流体管理系统和两个测试模块：一个帮助我们测试流动沸腾，另一个帮助我们测试流动冷凝。

目前，太空中用于加热和冷却的设备是根据地球重力实验设计的。我们的流动沸腾和冷凝实验试图改变这一点。

首先，我们测试了我们构建的系统和模块在受到地球重力作用时是否正常工作。一旦我们得知他们这样做了，我们就把他们送上抛物线飞行的飞机。该飞行器模拟了重力减小，因此我们可以了解系统在类似于太空的环境中如何运行。

2021年8月，我们完成了流动沸腾模块，并将其发射到国际空间站进行零重力测试。到2022年7月，我们完成了沸腾实验。2023年8月，流动冷凝模块紧随其后，我们将很快开始进行最终的冷凝测试。

应对重力降低

液汽流系统对重力比现在使用的纯液体系统要敏感得多，因此设计在重力减小的情况下工作的系统更加困难。

这些系统背后的机制与液体相对于蒸汽的运动有关，而这种运动的外观取决于一个称为浮力的概念。

浮力由重力以及液体和蒸汽之间的密度差决定。因此，重力的任何变化都会影响系统的浮力，从而影响蒸汽相对于液体的运动。

在太空中，系统可能需要在不同的重力强度下运行。航天器经历微重力——接近失重——而月球栖息地将在地球重力六分之一的重力条件下运行，而火星栖息地将在地球重力八分之三的重力条件下运行。

我们的团队正在致力于设计可以在所有这些重力降低水平下工作的流动沸腾和冷凝模型。

太空栖息地的应用

有一天，这种设备可能会进入月球或火星上的人类栖息地，帮助维持内部人员和机器的舒适温度。使用我们的流动沸腾和流动冷凝系统的热泵可以提取宇航员及其机器散发的热量。然后，它将收集到的热量发送出栖息地，以保持内部凉爽——类似于地球上空调的工作方式。

太空中的温度可能非常高，对人类来说很不利，但有了这些技术，我的团队有一天可能会帮助创造飞船和栖息地，让人们探索月球及其他地方。