2 地外天体水资源开发
目前的渗流研究多基于地球环境，在复杂的地外环境的下，会产生很多有趣的渗流现象。目前已有足够的证据表明火星和月球上有地下水的存在，课题组主要以火星和月球为对象进行地外渗流研究，为火星和月球采水提供思路。
火星是环境条件与地球最为接近的行星，平均温度大约为-55℃，昼夜温差极大，大气压约为500~700 Pa，若通过加热进行融冰取水，会有大量水蒸发逃逸于大气之中。火星具有丰富的盐含量，研究拟计划利用火星上的盐降低冰点进行融冰取水，再利用火星上的昼夜温差来进行水的提纯。另外，火星大气层的主要成分是二氧化碳，二氧化碳极易溶于水，因此，火星采水是低温低压富二氧化碳条件下的渗流研究。
月球是地球唯一的天然卫星，与火星不同的是，月球大气极其稀薄，水极易蒸发，这使得月球上的冰埋藏较深，未逃逸到月表的水分子以水蒸汽的形式困在多孔介质中，因此，月球采水是低温、近真空环境下的多相渗流和扩散研究。
月球等地外天体表面覆盖着一层星壤多孔介质，其中可能富含挥发份（如水、氦-3等）。星壤中挥发份的扩散运移行为对理解天体的地质历史和演化规律、开发利用关键地外资源等都具有重要的意义。
然而，与地球上常见的常温常压和高温高压多孔介质中的扩散行为不同，星壤多孔介质往往处于极高的真空度和极低的温度环境下。如月球南极可能富含水冰的永久阴影区（Li et al., PNAS, 2018），其自然压力为约10-9 Pa、温度为40K。在这样的极端条件下，一方面分子自由程比孔隙尺度高10个数量级以上（Kn >> 1010），一方面分子在固体表面可能具有很长的吸附时间。上述特征导致经典Fick扩散的基本假设失效。
基于蒙特卡洛方法，对REV（代表性元体积）尺度的分子扩散行为进行了数值研究。数值实验表明，高真空度的分子扩散与稠密气体的Fick扩散具有类似的标度率，即均方位移与时间的线性关系。然而，其前置系数则和经典的Fick扩散系数具有极大区别。我们细致分析了孔隙尺度下分子的运移规律和空间分布规律，发现了“运动控制”和“吸附控制”两种截然不同的扩散机理理论，解析出了挥发份分子单孔滞留时间的分布函数。进而，我们利用修正的随机游走模型将孔隙尺度运动与宏观扩散联系起来。
本工作针对将对月壤水冰开采过程的设计、月壤中氦-3空间分布的反演、彗星质量耗散的建模等研究提供关键的理论基础。