Термохимический процесс и компактная установка для концентрации кислорода во внеземных атмосферах: технико-экономическое обоснование

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5148 (2023) Цитировать эту статью

672 Доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Марсианская атмосфера содержит 0,16% кислорода, что является примером природного ресурса, который можно использовать в качестве прекурсора или окислителя для топлива, систем жизнеобеспечения и, возможно, для научных экспериментов. Таким образом, настоящая работа связана с изобретением процесса концентрации кислорода в внеземной атмосфере с дефицитом кислорода посредством термохимического процесса и определением подходящей конструкции наилучшего устройства для осуществления этого процесса. Перовскитная система накачки кислорода (POP) использует основной химический процесс, основанный на температурно-зависимом химическом потенциале кислорода на оксиде многовалентного металла, для выделения и поглощения кислорода в ответ на колебания температуры. Таким образом, основной целью этой работы является определение подходящих материалов для системы перекачки кислорода и оптимизация окислительно-восстановительной температуры и времени, необходимых для работы системы, для производства 2,25 кг кислорода в час в самых экстремальных условиях окружающей среды Марса. и основан на концепции термохимического процесса. Радиоактивные материалы, такие как 244Cm, 238Pu и 90Sr, анализируются как источник тепла для работы системы СОЗ, и выявляются критические аспекты технологии, а также слабые места и неопределенности, связанные с эксплуатационной концепцией.

Генерация кислорода за пределами атмосферы Земли является решающим фактором для будущих пилотируемых космических полетов. Возвращение космонавтов на Землю требует большого количества топлива и обычно кислорода в качестве окислителя для соответствующих ракетных двигателей. Кроме того, кислород необходим для жизнеобеспечения в пилотируемых миссиях и, возможно, для научных экспериментов.

Предполагается, что первая пилотируемая космическая миссия за пределами системы Земли будет нацелена на планету Марс и, вероятно, будет запущена в 20–30-х годах XXI века. Соответствующие миссии планируют, в частности, НАСА и SpaceX. Обе организации планируют производить кислород на Марсе в рамках беспилотной миссии, которая предшествует пилотируемой миссии. Производство кислорода на Марсе (использование ресурсов на месте (ISRU)) может также понадобиться для беспилотного возвращения проб с планеты Марс на Землю (возврат образцов с Марса)1.

SpaceX планирует производить водород и кислород на Марсе путем добычи водяного льда и электролиза воды с помощью электричества, вырабатываемого фотоэлектрической солнечной энергией. Водород будет преобразован в метан с использованием углекислого газа из марсианской атмосферы, а кислород будет храниться в качестве окислителя для обратного полета2. Космическое агентство США НАСА планирует производить кислород на Марсе путем высокотемпературного электролиза CO2 из марсианской атмосферы. В этом процессе CO2 расщепляется на O2 и CO. Этот процесс в настоящее время тестируется на борту марсохода Perseverance в рамках эксперимента MOXIE3. 20 апреля 2021 года ему впервые удалось за один час извлечь 5,37 г кислорода из марсианской атмосферы4. Для запланированной пилотируемой миссии НАСА оценило необходимость производства 22,7 тонны жидкого кислорода за 420 земных дней, что соответствует средней выработке кислорода 2,25 кг в час5. В публикации «Эталонная архитектура проекта Марса 5.0» предполагается, что система ISRU для извлечения CO2 из марсианской атмосферы и генерации газообразного кислорода, по сути, модернизированная система MOXIE, будет весить около одной метрической тонны6. Такое масштабированное устройство, а также связанное с ним энергетическое оборудование будут использоваться в качестве эталонного маркера в этом исследовании, поскольку наша цель — превзойти современные технологии производства внеземного кислорода.

И НАСА, и SpaceX планируют использовать электролиз. Необходимая электрическая энергия должна производиться из первичного источника энергии, что связано с неизбежными потерями, а также с использованием сложного и тяжелого технического оборудования. В качестве альтернативы мы рассматриваем термохимические процессы по улавливанию кислорода. В Немецком аэрокосмическом центре (DLR) в Институтах солнечных исследований и будущего топлива разработаны термохимические процессы для производства азота путем разделения воздуха и удаления кислорода путем расщепления воды и CO2, а также хранения кислорода в кислороде. насосы7,8,9,10,11,12,13,14. Эти системы также могут использоваться для концентрирования кислорода15 и имеют преимущества перед электролизом с термодинамической точки зрения, поскольку создание необходимого градиента концентрации гораздо менее энергозатратно, чем расщепление CO2.