Ученые предлагают адаптировать марсианскую систему ISRU к изменяющейся среде Марса

17 августа 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

корректура

Пекинского технологического института Press Co., Ltd.

Для полетов человека на Марс потребуется мощная ракета-носитель для подъема с Марса и встречи с ожидающим кораблем, возвращающимся на Землю, на орбите Марса. Для восходящего экипажа из шести человек наилучшая на данный момент оценка количества кислородного топлива, необходимого для восхождения, составляет около 30 метрических тонн. Производство кислорода для восходящего топлива и, возможно, жизнеобеспечения из местного CO2 на Марсе, а не доставка кислорода на Марс с Земли, имеет значительную выгоду.

Производство кислорода осуществляется посредством процесса, известного как использование ресурсов на месте (ISRU). Поскольку проект Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE) с большим успехом продемонстрировал работу прототипа системы электролиза для преобразования марсианского CO2 в O2 на Марсе, теперь уместно изучить возможность масштабирования этого прототипа до полномасштабной системы.

В исследовательской статье, недавно опубликованной в журнале Space: Science & Technology, Дональд Рапп и Эрик Хинтерман смоделировали работу полномасштабной системы использования ресурсов Марса на месте (ISRU) для производства 30 метрических тонн жидкого O2, работавшей в течение 14 месяцев в качестве Окружающая среда Марса меняется ежедневно и сезонно.

Сначала авторы знакомят со структурой системы ISRU, требованиями и настройками. Упрощенная схема системы ИСРУ представлена ​​на рис. 1. Сердцем системы является стопка (или, скорее, совокупность стопок) электролизеров, создающих поток О2 из анода и смеси CO, CO2 и инертные газы в катодном выхлопе. Во время процесса компрессор сначала втягивает атмосферу Марса в систему и сжимает ее от давления Марса до давления в дымовой трубе.

Теплообменник рекуперирует часть тепла от выхлопных газов поступающему газу с Марса, и этот газ предварительно нагревается до температуры дымовой трубы перед попаданием в дымовую трубу. После электролиза в батарее сточные воды из батареи возвращаются в теплообменник для предварительного нагрева поступающего марсианского газа, катодный выхлоп выбрасывается, а анодный выхлоп подается в ожижитель.

Более того, очень важно, чтобы напряжение на электролитических ячейках пакета(ов) было выше, чем напряжение Нернста для реакции образования кислорода (0,96 В) и меньше, чем напряжение Нернста для побочной реакции, в результате которой выделяется углерод (1,13 В). . Система должна проработать 14 месяцев (420 сол) со средней скоростью производства кислорода 3,0 кг/ч, чтобы произвести в общей сложности 30240 кг кислорода за этот период. Также существует несколько схем управления.

В варианте 1 электролизные батареи и ожижитель работают при постоянной скорости потока 3,0 кг/ч, а частота вращения компрессора в минуту (об/мин) регулируется так, чтобы она была выше, когда плотность Марса ниже, и наоборот. В варианте управления 2а частота вращения всегда поддерживается на уровне 3325, а размер компрессора такой же, как и в варианте управления 1, но количество ячеек в стопках уменьшено.

В варианте управления 2б частота вращения всегда поддерживается на уровне 3325, а количество ячеек такое же, как и в варианте управления 1, но размер компрессора уменьшен. В варианте управления 2c количество ячеек и размер компрессора такие же, как и в варианте управления 1, но частота вращения всегда поддерживается на уровне 2705.

Затем авторы исследуют внутреннее удельное сопротивление клеток (iASR), плотность тока (J) и скорость потока в различных вариантах управления. Используется базовое соотношение: Vop = + Vother + (iASR)(J), где Vop — среднее рабочее напряжение, приложенное к элементу; – потенциал Нернста для продукции O2, усредненный по клетке; Вотер — это напряжение, добавленное для балансировки уравнения.