Cientistas propõem adaptar um sistema ISRU de Marte às mudanças no ambiente de Marte

17 de agosto de 2023

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pelo Instituto de Tecnologia de Pequim Press Co., Ltd

As missões humanas a Marte exigirão que um veículo de lançamento substancial suba de Marte para se encontrar com um veículo de retorno à Terra que está aguardando na órbita de Marte. Para uma tripulação ascendente de 6 pessoas, a melhor estimativa atual de propelentes de oxigênio necessários para a subida é de cerca de 30 toneladas métricas. A produção de oxigénio para propulsores de ascensão e possivelmente para suporte de vida a partir do CO2 nativo de Marte, em vez de trazer oxigénio da Terra para Marte, é um benefício significativo.

A produção de oxigênio é realizada através de um processo conhecido genericamente como utilização de recursos in situ (ISRU). Uma vez que o projeto Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE) demonstrou a operação de um protótipo de sistema de eletrólise para converter CO2 marciano em O2 em Marte com grande sucesso, agora é apropriado investigar a ampliação deste protótipo para um sistema em escala real.

Em um artigo de pesquisa publicado recentemente na Space: Science & Technology, Donald Rapp e Eric Hinterman modelaram o desempenho de um sistema de utilização de recursos in situ (ISRU) de Marte em escala real para produzir 30 toneladas métricas de O2 líquido, operado por 14 meses como o O ambiente de Marte muda diurna e sazonalmente.

Primeiro, os autores apresentam o layout, os requisitos e as configurações do sistema ISRU. O layout simplificado do sistema ISRU é mostrado na Fig. 1. O coração do sistema é a pilha (ou, mais provavelmente, um conjunto de pilhas) de células de eletrólise, produzindo um fluxo de O2 para fora do ânodo e uma mistura de CO, CO2 e gases inertes na exaustão do cátodo. Enquanto o processo opera, um compressor primeiro puxa a atmosfera de Marte para dentro do sistema e a comprime da pressão de Marte para a pressão de acumulação.

Um trocador de calor recupera parte do calor dos gases de exaustão para o gás que chega de Marte, e esse gás é pré-aquecido até a temperatura da pilha antes de entrar na pilha. Após a eletrólise na pilha, o efluente da pilha é realimentado ao trocador de calor para pré-aquecer o gás que entra em Marte, e a exaustão do cátodo é ventilada, enquanto a exaustão do ânodo é alimentada ao liquefeito.

Além disso, é fundamental que a tensão através das células eletrolíticas da(s) pilha(s) seja maior que a tensão de Nernst para a reação de produção de oxigênio (0,96 V) e menor que a tensão de Nernst para reação lateral que deposita carbono (1,13 V). . O sistema deve funcionar durante 14 meses (420 sol) com uma taxa média de produção de oxigênio de 3,0 kg/h para produzir um total de 30.240 kg de oxigênio durante esse período. Existem também vários esquemas de controle.

Na opção 1, as pilhas de eletrólise e o liquefeito são operados a uma vazão constante de 3,0 kg/h, enquanto as rotações por minuto (RPM) do compressor são controladas para serem maiores quando a densidade de Marte é menor e vice-versa. Na opção de controle 2a, o RPM é sempre mantido em 3325 e o compressor é do mesmo tamanho que na opção de controle 1, mas o número de células nas pilhas é reduzido.

Na opção de controle 2b, o RPM é sempre mantido em 3325, e o número de células é o mesmo que na opção de controle 1, mas o tamanho do compressor é reduzido. Na opção de controle 2c, o número de células e o tamanho do compressor são iguais aos da opção de controle 1, mas a RPM é sempre mantida em 2705.

Em seguida, os autores examinam a resistência celular específica da área intrínseca (iASR), a densidade de corrente (J) e a taxa de fluxo em diferentes opções de controle. É utilizada a relação básica: Vop = + Vother + (iASR)(J), na qual Vop é a tensão média de operação aplicada a uma célula; é o potencial de Nernst para produção de O2, calculado em média através de uma célula; Vother é uma tensão adicionada para equilibrar a equação.