Wissenschaftler schlagen vor, ein Mars-ISRU-System an die sich verändernde Marsumgebung anzupassen

Bemannte Missionen zum Mars erfordern eine umfangreiche Trägerrakete, die vom Mars aufsteigt und sich mit einer wartenden Erdrückführungsrakete in der Marsumlaufbahn trifft. Für eine aufsteigende Besatzung von 6 Personen beträgt die derzeit beste Schätzung des für den Aufstieg erforderlichen Sauerstofftreibstoffs etwa 30 Tonnen. Die Erzeugung von Sauerstoff für Aufstiegstreibstoffe und möglicherweise zur Lebenserhaltung aus dem einheimischen CO2 auf dem Mars, anstatt Sauerstoff von der Erde zum Mars zu bringen, ist von erheblichem Nutzen.

Die Sauerstoffproduktion erfolgt durch einen Prozess, der allgemein als In-situ-Ressourcennutzung (ISRU) bekannt ist. Da das Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE)-Projekt mit großem Erfolg den Betrieb eines Prototyps eines Elektrolysesystems zur Umwandlung von Mars-CO2 in O2 auf dem Mars demonstrierte, ist es nun angebracht, die Skalierung dieses Prototyps zu einem vollwertigen System zu untersuchen.

In einer kürzlich veröffentlichten Forschungsarbeit in Weltraum: Wissenschaft und TechnologieDonald Rapp und Eric Hinterman modellierten die Leistung eines umfassenden Mars-in-situ-Ressourcennutzungssystems (ISRU) zur Produktion von 30 Tonnen flüssigem O2, das 14 Monate lang betrieben wurde, während sich die Marsumgebung täglich und saisonal ändert.

Zunächst stellen die Autoren das ISRU-Systemlayout, die Anforderungen und die Einstellungen vor. Der vereinfachte Aufbau des ISRU-Systems ist in Abb. 1 dargestellt. Das Herzstück des Systems ist der Stapel (oder wahrscheinlicher eine Reihe von Stapeln) von Elektrolysezellen, der einen O2-Fluss aus der Anode und eine Mischung daraus erzeugt CO, CO2 und Inertgase im Kathodenabgas. Während der Prozess läuft, saugt ein Kompressor zunächst Marsatmosphäre in das System und komprimiert sie von Marsdruck auf Stapeldruck.

Ein Wärmetauscher gewinnt etwas Wärme aus den Abgasen an das vom Mars einströmende Gas zurück, und dieses Gas wird auf Stapeltemperatur vorgewärmt, bevor es in den Stapel gelangt. Nach der Elektrolyse im Stapel wird der Abstrom aus dem Stapel zurück zum Wärmetauscher geleitet, um das einströmende Marsgas vorzuwärmen, und der Kathodenabgas wird abgelassen, während der Anodenabgas dem Verflüssiger zugeführt wird.

Darüber hinaus ist es wichtig, dass die Spannung an den Elektrolysezellen des/der Stapels größer sein muss als die Nernst-Spannung für die Sauerstoffproduktionsreaktion (0,96 V) und kleiner als die Nernst-Spannung für die Nebenreaktion, die Kohlenstoff ablagert (1,13 V). . Das System muss 14 Monate lang (420 Sol) mit einer durchschnittlichen Sauerstoffproduktionsrate von 3,0 kg/h betrieben werden, um in diesem Zeitraum insgesamt 30.240 kg Sauerstoff zu produzieren. Es gibt auch mehrere Kontrollschemata.

Bei Option 1 werden die Elektrolysestapel und der Verflüssiger mit einer konstanten Durchflussrate von 3,0 kg/h betrieben, während die Kompressorumdrehungen pro Minute (U/min) so gesteuert werden, dass sie höher sind, wenn die Marsdichte geringer ist, und umgekehrt. Bei der Steuerungsoption 2a wird die Drehzahl immer bei 3325 gehalten und der Kompressor hat die gleiche Größe wie bei Steuerungsoption 1, jedoch ist die Anzahl der Zellen in den Stapeln reduziert.

Bei der Regelungsoption 2b wird die Drehzahl immer auf 3325 gehalten und die Anzahl der Zellen ist dieselbe wie bei der Regelungsvariante 1, jedoch ist die Größe des Kompressors reduziert. Bei der Steuerungsoption 2c sind die Anzahl der Zellen und die Kompressorgröße gleich groß wie bei der Steuerungsoption 1, die Drehzahl wird jedoch immer bei 2705 gehalten.

Anschließend untersuchen die Autoren den intrinsischen flächenspezifischen Zellwiderstand (iASR), die Stromdichte (J) und Durchflussmenge in verschiedenen Steuerungsoptionen. Der grundlegende Zusammenhang: Vop = + Vandere + (iASR)(J) wird verwendet, in dem Vop ist die durchschnittliche Betriebsspannung, die an eine Zelle angelegt wird; ist das Nernst-Potenzial für die O2-Produktion, gemittelt über eine Zelle; V„Andere“ ist eine Spannung, die hinzugefügt wird, um die Gleichung auszugleichen.

Darüber hinaus gilt Anodendruck = Kathodendruck = 0,2 bar, Nutzung = 0,60 und es wird angenommen, dass iASR bei 1,00 Ohm-cm2 beginnt und nach 420 Sols Betrieb auf 1,20 Ohm-cm2 ansteigt. Bei Regelungsvariante 1 beträgt die benötigte Zellfläche zur Produktion von 3 kg/h Sauerstoff AT = 83750 cm2.

Bei einer Zellenfläche von jeweils 100 cm2 sind hierfür 840 Zellen erforderlich. Die Spanne der Zellbetriebsspannungen beträgt max Vop = 1,060, Durchschn. Vop = 1,048 und Min Vop = 1,036. Die Drehzahl variiert von 3325 bei minimaler Dichte über 2706 bei durchschnittlicher Dichte bis hin zu 2251 bei maximaler Dichte. Bei Regelungsvariante 2a max Vop = 1,114, Durchschn. Vop = 1,078 und Min Vop = 1,037.

Die maximale durchschnittliche Zellspannung liegt gefährlich nahe an der Nernst-Spannung für die Kohlenstoffbildung, und angesichts der Unsicherheiten bei der Schätzung des iASR ist diese Option inakzeptabel. Bei Regelungsvariante 2b max Vop = 1,077, Durchschn. Vop = 1,048 und Min Vop = 1,014. Bei Steuerungsoption 2c max Vop = 1,077, Durchschn. Vop = 1,048 und Min Vop = 1,014, was im Wesentlichen den gleichen Werten wie für Steuerungsoption 2b entspricht.

Abschließend diskutieren die Autoren die Ergebnisse und ziehen Schlussfolgerungen. Was das Festoxidelektrolysesystem (SOXE) betrifft, beträgt die elektrochemische Leistung 14,6 kW für Steuerungsoption 1 und 4,87*FO2 kW für Steuerungsoption 2. Die Vorheizleistung wird auf ~0,5 kW geschätzt. Der Wärmeverlust beträgt ca. 0,35 kW, hängt jedoch von den atmosphärischen Bedingungen ab. Die gesamte SOXE-Leistung für jede Steuerungsoption ist die Summe aus elektrochemischer Leistung, Vorheizleistung und Wärmeverlustleistung.

Die Durchläufe für die verschiedenen Steuerungsoptionen ergeben die in Tabelle 4 aufgeführten Ergebnisse. Beim Kompressor ist der adiabatische Wirkungsgrad eine Funktion der Ineffizienz seiner Komponenten, einschließlich Motorverlusten, Dichtungsreibung und Lagerreibung. Tabelle 5 fasst den Leistungsbedarf für die Komprimierung bei verschiedenen Steuerungsoptionen zusammen. Die Wärmeabfuhrrate aus dem System durch den Kryokühler wird als die erforderliche Kühlung berechnet, um die Temperatur des gasförmigen Sauerstoffs auf seinen Siedepunkt zu senken und ihn zu verflüssigen. Das Ergebnis ist in Tabelle 6 dargestellt. Die Gesamtleistung inklusive aller Beiträge ist in Tabelle 7 zusammengefasst. Alle Tabellen können im Open-Access-Papier eingesehen werden.