超临界水氧化技术在长期太空任务中的热质动量传输机制研究及其废物处理应用

为解决长期太空任务中闭环生命支持系统的废物处理难题，研究人员针对超临界水氧化(SCWO)技术开展研究，系统分析了近临界(NC)、超临界(SC)和亚临界(SbC)流体的热力学与传输特性，揭示了微重力环境下活塞效应(Piston Effect)、沸腾等独特现象，为太空废物处理系统设计提供了理论依据，同时拓展了超临界流体在地面工程的应用前景。

　　

随着人类深空探测任务的推进，长期太空生存面临闭环生命支持系统的重大挑战。其中，有机废物的高效安全处理成为制约因素——传统焚烧法在微重力环境下效率低下，而化学处理又面临资源循环难题。超临界水氧化(SCWO)技术因其在高温高压(>374°C/22.1MPa)下能将有机物彻底分解为CO₂
、H₂
O等小分子的特性，被视为太空废物处理的革命性方案。然而，太空微重力环境导致流体行为与地面截然不同：近临界区(NC)热力学性质剧烈波动、相变过程受振动干扰、动量传输机制改变，这些都可能影响SCWO系统的稳定性与效率。

中国科学院的研究团队联合国际专家，在《The Journal of Supercritical Fluids》发表研究，首次系统阐述了微重力环境下超临界流体的热(Thermal)、质(Mass)、动量(Momentum)传输规律。研究采用理论建模与实验验证相结合的方法，重点分析了国际空间站相关实验数据，通过对比地面与太空环境下流体行为的差异，揭示了近临界区特有的"活塞效应"(Piston Effect)——当边界受热时，流体通过压缩波而非对流快速均质化的现象。此外，团队还发现微重力会诱发新型振动不稳定性，导致液-汽界面位置异常波动，这对SCWO反应器的密封设计提出新要求。

Universal behavior
研究表明，近临界点(CP)流体的热力学性质遵循普适幂律规律，使得单一流体(如水)的研究结论可推广至纯流体、混合液体等整个"流体类"。这为不同太空场景下的SCWO系统设计提供了标准化理论框架。

Thermal phenomena
在微重力环境中，热传导机制发生根本改变：传统对流被抑制，而压缩性极强的NC流体通过"活塞效应"实现快速热均质化。实验显示，该效应能使流体温度在秒级时间内均匀分布，远超常规传导效率。

Transport of mass
相变过程呈现特殊规律：当SC流体快速冷却至亚临界区(SbC)时，相分离通过成核-生长机制进行；而表面加热引发的沸腾则产生纳米级气泡群，其动力学行为受振动加速度显著影响。

Viscosity
剪切粘度(μ)在近临界点异常增强，动量传输呈现非傅里叶特征。通过Kubo-Green关系分析压力涨落关联函数，发现微重力环境下粘度可增加30%，直接影响SCWO反应器的流体阻力计算。

SCWO interest and challenge
研究证实SCWO在太空应用中具有独特优势：氧化反应速率提高5-8倍，且反应产物可直接回用于生命支持系统。但需解决微重力导致的反应不均匀问题，新型离心式反应器设计被证明可提升混合效率。

这项研究不仅为太空废物处理提供了理论基石，更揭示了超临界流体在极端环境下的普适规律。发现的"活塞效应"和振动不稳定性等现象，将推动新一代太空SCWO系统的工程实现。同时，研究成果对地面超临界流体工程(如化工、能源领域)的安全协议制定具有指导价值。团队特别指出，未来需结合在轨实验进一步验证反应器设计，并建立微重力-地面数据的转换模型，以加速技术落地。