科学者たちは、変化する火星の環境に火星 ISRU システムを適応させることを提案

2023 年 8 月 17 日

この記事は、Science X の編集プロセスとポリシーに従ってレビューされています。 編集者は、コンテンツの信頼性を確保しながら、次の属性を強調しました。

事実確認済み

校正する

北京理工大学出版局著

火星への有人ミッションには、火星から上昇し、火星の軌道上で待機している地球帰還ロケットと合流するための相当な打ち上げロケットが必要となる。 6 人の乗組員が上昇する場合、上昇に必要な酸素推進剤の現在の最良推定値は約 30 トンです。 地球から火星に酸素を持ち込むのではなく、火星固有の CO2 から上昇推進剤や場合によっては生命維持用の酸素を生成することは、大きな利益をもたらします。

酸素の生成は、一般に現場資源利用 (ISRU) として知られるプロセスを通じて行われます。 火星酸素 ISRU 実験 (MOXIE) プロジェクトでは、火星で火星の CO2 を O2 に変換するプロトタイプの電気分解システムの動作が実証され、大成功を収めたため、現在、このプロトタイプを本格的なシステムにスケールアップすることを検討することが適切です。

最近Space: Science & Technologyに掲載された研究論文の中で、ドナルド・ラップ氏とエリック・ヒンターマン氏は、30トンの液体O2を生成する本格的な火星現場資源利用（ISRU）システムの性能をモデル化し、火星として14か月間稼働させた。火星の環境は日内および季節的に変化します。

まず、著者は ISRU システムのレイアウト、要件、設定を紹介します。 ISRU システムの簡略化されたレイアウトを図 1 に示します。システムの中心は電解セルのスタック (または、より可能性の高いスタックのセット) で、アノードからの O2 の流れと混合物の混合物を生成します。カソード排気中の CO、CO2、および不活性ガス。 プロセスが動作している間、コンプレッサーはまず火星の大気をシステムに引き込み、火星の圧力から煙突の圧力まで圧縮します。

熱交換器は排気ガスから火星からの流入ガスに熱を回収し、このガスはスタックに入る前にスタック温度まで予熱されます。 スタック内での電気分解の後、スタックからの流出物は熱交換器に戻されて入ってくる火星ガスを予熱し、カソードの排気は排出され、アノードの排気は液化装置に供給されます。

さらに、スタックの電解槽にかかる電圧は、酸素生成反応のネルンスト電圧 (0.96 V) よりも大きく、炭素を析出させる副反応のネルンスト電圧 (1.13 V) よりも小さいことが重要です。 。 このシステムは、平均酸素生成速度 3.0 kg/h で 14 か月間 (420 ソル) 稼働し、この期間中に合計 30,240 kg の酸素を生成する必要があります。 いくつかの制御スキームもあります。

オプション 1 では、電気分解スタックと液化装置は 3.0 kg/h の一定流量で運転され、コンプレッサーの毎分回転数 (RPM) は、火星密度が低い場合はより大きくなるように制御され、その逆も同様です。 制御オプション 2a では、RPM は常に 3325 に維持され、コンプレッサーのサイズは制御オプション 1 と同じですが、スタック内のセルの数は減少します。

制御オプション 2b では、RPM は常に 3325 に維持され、セル数は制御オプション 1 と同じですが、コンプレッサーのサイズは小さくなります。 制御オプション 2c では、セルの数とコンプレッサーのサイズは制御オプション 1 と同じサイズですが、RPM は常に 2705 に維持されます。

次に著者らは、さまざまな制御オプションでの固有面積固有セル抵抗 (iASR)、電流密度 (J)、および流量を調べます。 基本的な関係: Vop = + Vother + (iASR)(J) が使用されます。ここで、Vop はセルに印加される平均動作電圧です。 セル全体で平均した、O2 生成のネルンスト電位です。 Vother は、方程式のバランスをとるために追加される電圧です。