Gli scienziati propongono di adattare un sistema ISRU su Marte al mutevole ambiente di Marte

17 agosto 2023

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a cura del Beijing Institute of Technology Press Co., Ltd

Le missioni umane su Marte richiederanno un sostanziale veicolo di lancio per ascendere da Marte per incontrarsi con un veicolo di ritorno sulla Terra in attesa nell'orbita di Marte. Per un equipaggio in ascensione di 6 persone, la migliore stima attuale dei propellenti di ossigeno necessari per la risalita è di circa 30 tonnellate. Produrre ossigeno per i propellenti di ascesa e possibilmente per il supporto vitale dalla CO2 indigena su Marte, piuttosto che portare ossigeno su Marte dalla Terra, è di notevole beneficio.

La produzione di ossigeno avviene attraverso un processo noto genericamente come utilizzo delle risorse in situ (ISRU). Poiché il progetto Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE) ha dimostrato con grande successo il funzionamento di un prototipo di sistema di elettrolisi per convertire la CO2 marziana in O2 su Marte, è ora opportuno studiare l’espansione di questo prototipo fino a trasformarlo in un sistema su vasta scala.

In un articolo di ricerca recentemente pubblicato su Space: Science & Technology, Donald Rapp ed Eric Hinterman hanno modellato le prestazioni di un sistema ISRU (In Situ Resource Utilization) su vasta scala su Marte per produrre 30 tonnellate di O2 liquido, utilizzato per 14 mesi come L'ambiente di Marte cambia quotidianamente e stagionalmente.

Innanzitutto, gli autori introducono il layout, i requisiti e le impostazioni del sistema ISRU. Il layout semplificato del sistema ISRU è mostrato in Fig. 1. Il cuore del sistema è lo stack (o, più probabilmente, un insieme di stack) di celle di elettrolisi, che producono un flusso di O2 fuori dall'anodo e una miscela di CO, CO2 e gas inerti nello scarico del catodo. Mentre il processo è in funzione, un compressore aspira innanzitutto l’atmosfera di Marte nel sistema e la comprime dalla pressione di Marte alla pressione di stack.

Uno scambiatore di calore recupera parte del calore dai gas di scarico al gas in arrivo da Marte e questo gas viene preriscaldato alla temperatura del camino prima di entrare nel camino. Dopo l'elettrolisi nel camino, l'effluente dal camino viene reimmesso nello scambiatore di calore per preriscaldare il gas di Marte in entrata e lo scarico del catodo viene scaricato, mentre lo scarico dell'anodo viene alimentato al liquefattore.

Inoltre, è fondamentale che la tensione ai capi delle celle elettrolitiche degli stack sia maggiore della tensione di Nernst per la reazione di produzione di ossigeno (0,96 V) e inferiore alla tensione di Nernst per la reazione laterale che deposita carbonio (1,13 V). . Il sistema deve funzionare per 14 mesi (420 sol) con un tasso di produzione medio di ossigeno di 3,0 kg/h per produrre un totale di 30240 kg di ossigeno in questo periodo. Esistono anche diversi schemi di controllo.

Nell'opzione 1, gli stack di elettrolisi e il liquefattore funzionano a una portata costante di 3,0 kg/h, mentre i giri al minuto (RPM) del compressore sono controllati in modo che siano maggiori quando la densità di Marte è inferiore e viceversa. Nell'opzione di controllo 2a, il numero di giri viene sempre mantenuto a 3325 e il compressore ha le stesse dimensioni dell'opzione di controllo 1, ma il numero di celle negli stack è ridotto.

Nell'opzione di controllo 2b, il numero di giri viene sempre mantenuto a 3325 e il numero di celle è lo stesso dell'opzione di controllo 1, ma la dimensione del compressore è ridotta. Nell'opzione di controllo 2c, il numero di celle e le dimensioni del compressore sono le stesse dell'opzione di controllo 1, ma il numero di giri è sempre mantenuto a 2705.

Quindi, gli autori esaminano la resistenza cellulare area-specifica intrinseca (iASR), la densità di corrente (J) e la portata in diverse opzioni di controllo. Si utilizza la relazione fondamentale: Vop = + Vother + (iASR)(J), in cui Vop è la tensione operativa media applicata ad una cella; è il potenziale di Nernst per la produzione di O2, mediato su una cella; Vother è una tensione aggiunta per bilanciare l'equazione.