天体化学工程——化学工程的机遇

《Chemical Engineering Research and Design》：Astrochemical Engineering – an opportunity for Chemical Engineering

　　

天体化学工程（Astrochemical Engineering）无疑是化学工程中的一个新分支学科，专注于在空间环境（航天器、行星、月球和天体上的空间站）中进行材料转化。空间中的化学过程将具有不同的条件，因此需要调整已有的地面工艺或开发新工艺。除了地球与空间条件之间的明显差异外，还出现一个问题：天体化学工程是否能够为核心学科的发展作出贡献。因此，本文从方法论的角度，以地球和地球以外的首次同类（first-of-a-kind, FOAK）项目为背景，分析了具体的挑战。在范式背景下识别出相似的挑战，即循环性、可持续性，以及具有不确定性和复杂性属性的首次同类项目。这些方法论挑战有潜力推动核心学科的发展，并在天体化学工程的跨学科领域产生影响。作为应对不确定性和复杂性的对策，本文提出了一种与系统工程（Systems Engineering）共生的整体方法，以增强工艺的耐受性和灵活性。本文识别了该方法在地球及地球以外的化学工程应用中均能产生效益的预期领域。

天体化学工程——化学工程的机遇：论文解读

天体化学工程（Astrochemical Engineering）是化学工程在太空时代的新兴分支学科，聚焦于航天器、行星、月球和天体等空间环境中的材料转化。空间环境中的化学过程条件与地球迥异，因此必须调整既有地面工艺或开发全新工艺。当前化学工程课程未能充分培养学生领导太空工程的技能，而相关航空航天设计工程也缺乏跨学科性。同时，化学工程正面临向可持续循环经济转型的挑战，在易变、不确定、复杂、模糊（VUCA）环境中，传统项目工作流难以应对不确定性和复杂性。基于此，该研究旨在探讨天体化学工程能否以及如何为核心化学工程学科的方法论发展作出贡献。

研究人员采用三步骤方法论：首先分析两个学科在方法论和范式上的挑战，聚焦于不确定性和复杂性；其次考察耐受性和灵活性作为整体环境中的两种对策；最后给出两个适合学习这些对策的示例课题。研究认为，两个学科在循环性、可持续性、首次同类（FOAK）项目的不确定性和复杂性方面具有可比的研究问题和方法论挑战，能够共同发展；采用与系统工程共生的整体方法，通过增强过程的耐受性和灵活性，可有效应对不确定性；新学科有望推动核心化学工程学科的发展，并在跨学科领域产生外溢效应。该论文发表于《Chemical Engineering Research and Design》。

为开展分析，研究人员主要运用了以下关键技术方法：①文献综合与概念对比，梳理循环经济、可持续性和系统工程相关研究；②系统类比法，将载人航天器与化工厂进行结构映射，将乘员视为生物反应器；③采用系统复杂性度量（SCM）、等效系统质量（ESM）、技术就绪水平（TRL）和集成就绪水平（IRL）等指标评估系统；④利用NASA标准中的操作窗口数据（如温度、压力、湿度、CO₂和O₂分压），结合修正的Buck方程计算水蒸气分压；⑤基于国际空间站（ISS）代谢负荷数据，进行动态响应分析；⑥对火星大气和月球挥发物数据（如