Bilim adamları, bir Mars ISRU sistemini değişen Mars ortamına uyarlamayı öneriyor

Mars’a insan misyonları, Mars yörüngesinde bekleyen bir Dünya dönüş aracıyla buluşmak için Mars’tan yükselmek için önemli bir fırlatma aracı gerektirecektir. 6 kişilik yükselen bir mürettebat için, yükselme için gereken oksijen itici gazlarının mevcut en iyi tahmini yaklaşık 30 metrik tondur. Yükselen itici gazlar için oksijen ve muhtemelen yerli CO’dan yaşam desteği üretmek₂ Mars’ta, Dünya’dan Mars’a oksijen getirmek yerine, önemli bir fayda sağlıyor.

Oksijen üretimi, jenerik olarak yerinde kaynak kullanımı (ISRU) olarak bilinen bir işlemle gerçekleştirilir. Mars Oksijen ISRU Deneyi (MOXIE) Projesi, Mars CO’yu dönüştürmek için bir prototip elektroliz sisteminin çalıştığını gösterdiğinden beri₂ fazla₂ Mars’ta büyük bir başarıyla, bu prototipi tam ölçekli bir sisteme ölçeklendirmeyi araştırmak artık uygun.

Geçenlerde yayınlanan bir araştırma makalesinde Uzay: Bilim ve TeknolojiDonald Rapp ve Eric Hinterman, 30 metrik ton sıvı O üretmek için tam ölçekli bir Mars yerinde kaynak kullanımı (ISRU) sisteminin performansını modellediler.₂Mars ortamı günlük ve mevsimsel olarak değiştiği için 14 ay boyunca çalıştırıldı.

İlk olarak, yazarlar ISRU sistem düzenini, gereksinimleri ve ayarları tanıtırlar. ISRU sisteminin basitleştirilmiş düzeni Şekil 1’de gösterilmektedir. Sistemin kalbi, bir O akışı üreten elektroliz hücrelerinin yığınıdır (veya daha büyük olasılıkla bir dizi yığındır).₂ anottan ve bir CO, CO karışımından₂ve katot egzozundaki inert gazlar. Süreç çalışırken, bir kompresör önce Mars atmosferini sisteme çeker ve onu Mars basıncından yığın basıncına sıkıştırır.

Bir ısı eşanjörü, egzoz gazlarından gelen ısının bir kısmını Mars’tan gelen gaza geri kazandırır ve bu gaz, yığına girmeden önce yığın sıcaklığına kadar önceden ısıtılır. Yığındaki elektrolizden sonra, yığından çıkan atık, gelen Mars gazını önceden ısıtmak için ısı eşanjörüne geri beslenir ve anot egzozu sıvılaştırıcıya beslenirken katot egzozu havalandırılır.

Ayrıca yığın(lar)ın elektrolitik hücreleri arasındaki voltajın, oksijen üretim reaksiyonu için Nernst voltajından (0,96 V) yüksek ve karbonu biriktiren yan reaksiyon için Nernst voltajından (1,13 V) düşük olması kritik öneme sahiptir. . Bu süre boyunca toplam 30240 kg oksijen üretmek için sistemin ortalama 3,0 kg/saat oksijen üretim hızıyla 14 aylık (420 sol) bir çalışmada olması gerekir. Ayrıca birkaç kontrol şeması vardır.

Seçenek 1’de, elektroliz bacaları ve sıvılaştırıcı, 3,0 kg/sa sabit akış hızında çalıştırılırken, kompresör devir/dakikası (RPM) Mars yoğunluğu düşükken daha yüksek olacak şekilde kontrol edilir ve bunun tersi de geçerlidir. Kontrol seçeneği 2a’da, RPM her zaman 3325’te tutulur ve kompresör, kontrol seçeneği 1’deki ile aynı boyuttadır ancak yığınlardaki hücre sayısı azaltılır.

Kontrol seçeneği 2b’de, RPM her zaman 3325’te tutulur ve hücre sayısı kontrol seçeneği 1’deki ile aynıdır ancak kompresörün boyutu küçültülür. Kontrol seçeneği 2c’de hücre sayısı ve kompresör boyutu, kontrol seçeneği 1’deki ile aynı boyuttadır ancak RPM her zaman 2705’te tutulur.

Ardından, yazarlar içsel alana özgü hücre direncini (iASR), akım yoğunluğunu (J) ve farklı kontrol seçeneklerinde akış hızı. Temel ilişki: v_işlem = + v_diğer + (iASR)(J) kullanılır, burada v_işlem bir hücreye uygulanan ortalama çalışma voltajıdır; O için Nernst potansiyeli₂ bir hücre genelinde ortalama üretim; v_diğer denklemi dengelemek için eklenen bir voltajdır.

Ek olarak, anot basıncı = katot basıncı = 0,2 bar, kullanım = 0,60 ve iASR’nin 1,00 ohm-cm’de başladığı varsayılır² ve 1,20 ohm-cm’ye yükseltin² 420 sol operasyondan sonra. Kontrol seçeneği 1’de, 3 kg/saat oksijen üretmek için gereken hücre alanı A’dır._T = 83750cm².

100 cm alanlı hücrelerle² her biri, bu 840 hücre gerektirir. Hücre çalışma voltajlarının aralığı Maks. v_işlem = 1,060, Ort. v_işlem = 1,048 ve Min v_işlem = 1.036. RPM, minimum yoğunlukta 3325’ten, ortalama yoğunlukta 2706’ya ve maksimum yoğunlukta 2251’e kadar değişir. Kontrol seçeneği 2a’da, Maks. v_işlem = 1,114, Ort. v_işlem = 1,078 ve Min v_işlem = 1.037.

Maksimum ortalama hücre voltajı, karbon oluşumu için Nernst voltajına tehlikeli bir şekilde yakındır ve iASR’yi tahmin etmedeki belirsizlikler göz önüne alındığında, bu seçenek kabul edilemez. Kontrol seçeneği 2b’de, Maks. v_işlem = 1,077, Ort. v_işlem = 1,048 ve Min v_işlem = 1.014. Kontrol seçeneği 2c’de, Maks. v_işlem = 1,077, Ort. v_işlem = 1,048 ve Min v_işlem = 1,014, bunlar temelde kontrol seçeneği 2b ile aynıdır.

Son olarak, yazarlar sonuçları tartışır ve sonuçlar çıkarır. Katı oksit elektroliz (SOXE) sistemine gelince, kontrol seçeneği 1 ve 4,87*FO için elektrokimyasal güç 14,6 kW’dır.₂ Kontrol seçeneği 2 için kW. Ön ısıtma gücünün ~0,5 kW olduğu tahmin edilmektedir. Atmosfer koşullarına bağlı olmakla birlikte ısı kaybı yaklaşık 0,35 kW’dır. Herhangi bir kontrol seçeneği için toplam SOXE gücü, elektrokimyasal güç, ön ısıtma gücü ve ısı kaybı gücünün toplamıdır.

Çeşitli kontrol seçenekleri için çalıştırmalar, Tablo 4’te gösterilen sonuçları verir. Kompresöre gelince, adyabatik verimlilik, motor kayıpları, keçe sürtünmesi ve yatak sürtünmesi dahil bileşenlerinin verimsizliklerinin bir fonksiyonudur. Tablo 5, çeşitli kontrol seçeneklerinde sıkıştırma için güç gereksinimlerini özetlemektedir. Kriyo-soğutucu tarafından sistemden ısı uzaklaştırma oranı, gaz halindeki oksijenin sıcaklığını kaynama noktasına düşürmek ve sıvılaştırmak için gereken soğutma olarak hesaplanır. Sonuç Tablo 6’da gösterilmektedir. Tüm katkılar dahil olmak üzere toplam güç Tablo 7’de sonuca varılmaktadır. Açık erişim belgesinde tüm tablolar görüntülenebilir.