Los científicos proponen adaptar un sistema ISRU de Marte al cambiante entorno de Marte

17 de agosto de 2023

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por el Instituto de Tecnología de Beijing Press Co., Ltd

Las misiones humanas a Marte requerirán un vehículo de lanzamiento sustancial para ascender desde Marte hasta encontrarse con un vehículo de regreso a la Tierra que espera en la órbita de Marte. Para una tripulación de seis personas en ascenso, la mejor estimación actual de los propulsores de oxígeno necesarios para el ascenso es de unas 30 toneladas métricas. Producir oxígeno para los propulsores de ascenso y posiblemente para sustentar la vida a partir del CO2 autóctono de Marte, en lugar de traer oxígeno a Marte desde la Tierra, supone un beneficio significativo.

La producción de oxígeno se logra mediante un proceso conocido genéricamente como utilización de recursos in situ (ISRU). Dado que el proyecto Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE) demostró el funcionamiento de un prototipo de sistema de electrólisis para convertir CO2 marciano en O2 en Marte con gran éxito, ahora es apropiado investigar la ampliación de este prototipo a un sistema a escala real.

En un artículo de investigación publicado recientemente en Space: Science & Technology, Donald Rapp y Eric Hinterman modelaron el rendimiento de un sistema de utilización de recursos in situ (ISRU) de Marte a gran escala para producir 30 toneladas métricas de O2 líquido, operado durante 14 meses como El entorno de Marte cambia diurna y estacionalmente.

Primero, los autores presentan el diseño, los requisitos y la configuración del sistema ISRU. El diseño simplificado del sistema ISRU se muestra en la Fig. 1. El corazón del sistema es la pila (o, más probablemente, un conjunto de pilas) de celdas de electrólisis, que producen un flujo de O2 que sale del ánodo y una mezcla de CO, CO2 y gases inertes en el escape del cátodo. Mientras el proceso opera, un compresor primero atrae la atmósfera de Marte hacia el sistema y la comprime desde la presión de Marte hasta la presión de la chimenea.

Un intercambiador de calor recupera algo de calor de los gases de escape al gas entrante de Marte, y este gas se precalienta a la temperatura de la chimenea antes de ingresar a la chimenea. Después de la electrólisis en la chimenea, el efluente de la chimenea se devuelve al intercambiador de calor para precalentar el gas de Marte entrante, y el escape del cátodo se ventila, mientras que el escape del ánodo se alimenta al licuefactor.

Además, es fundamental que el voltaje a través de las celdas electrolíticas de la(s) pila(s) sea mayor que el voltaje de Nernst para la reacción de producción de oxígeno (0,96 V) y menor que el voltaje de Nernst para la reacción secundaria que deposita carbono (1,13 V). . Se requiere que el sistema funcione durante 14 meses (420 sol) con una tasa de producción de oxígeno promedio de 3,0 kg/h para producir un total de 30240 kg de oxígeno durante este período. También existen varios esquemas de control.

En la opción 1, las pilas de electrólisis y el licuador funcionan a un caudal constante de 3,0 kg/h, mientras que las revoluciones por minuto (RPM) del compresor se controlan para que sean mayores cuando la densidad de Marte es menor, y viceversa. En la opción de control 2a, las RPM siempre se mantienen en 3325 y el compresor es del mismo tamaño que en la opción de control 1, pero se reduce el número de celdas en las pilas.

En la opción de control 2b, las RPM siempre se mantienen en 3325 y el número de celdas es el mismo que en la opción de control 1, pero el tamaño del compresor se reduce. En la opción de control 2c, el número de celdas y el tamaño del compresor son del mismo tamaño que en la opción de control 1, pero las RPM siempre se mantienen en 2705.

Luego, los autores examinan la resistencia celular intrínseca específica del área (iASR), la densidad de corriente (J) y el caudal en diferentes opciones de control. Se utiliza la relación básica: Vop = + Vother + (iASR)(J), en la que Vop es el voltaje operativo promedio aplicado a una celda; es el potencial de Nernst para la producción de O2, promediado en una célula; Otro es un voltaje agregado para equilibrar la ecuación.

Además, presión del ánodo = presión del cátodo = 0,2 bar, utilización = 0,60 y se supone que iASR comienza en 1,00 ohm-cm2 y aumenta a 1,20 ohm-cm2 después de 420 soles de operación. En la opción de control 1, el área de celda requerida para producir 3 kg/h de oxígeno es AT = 83750 cm2.

Con celdas de 100 cm2 de área cada una, se necesitan 840 celdas. El rango de voltajes de funcionamiento de la celda es Max Vop = 1.060, Avg. Vop = 1,048 y Vop mínimo = 1,036. Las RPM varían de 3325 a densidad mínima, a 2706 a densidad promedio y a 2251 a densidad máxima. En la opción de control 2a, Max Vop = 1.114, Avg. Vop = 1,078 y Vop mínimo = 1,037.

El voltaje promedio máximo de la celda está peligrosamente cerca del voltaje de Nernst para la formación de carbono y, considerando las incertidumbres en la estimación de iASR, esta opción es inaceptable. En la opción de control 2b, Max Vop = 1,077, Avg. Vop = 1,048 y Vop mínimo = 1,014. En la opción de control 2c, Max Vop = 1,077, Avg. Vop = 1,048 y Min Vop = 1,014, que son esencialmente los mismos que para la opción de control 2b.

Finalmente, los autores discuten los resultados y sacan conclusiones. En cuanto al sistema de electrólisis de óxido sólido (SOXE), la potencia electroquímica es de 14,6 kW para la opción de control 1 y de 4,87*FO2 kW para la opción de control 2. Se estima que la potencia de precalentamiento es de ~0,5 kW. La pérdida de calor es de aproximadamente 0,35 kW, aunque depende de las condiciones atmosféricas. La potencia SOXE total para cualquier opción de control es la suma de la potencia electroquímica, la potencia de precalentamiento y la potencia de pérdida de calor.

Los recorridos para las diversas opciones de control arrojan los resultados que se muestran en la Tabla 4. En cuanto al compresor, la eficiencia adiabática es una función de las ineficiencias de sus componentes, incluidas las pérdidas del motor, la fricción del sello y la fricción del cojinete. La Tabla 5 resume los requisitos de energía para la compresión en varias opciones de control. La tasa de eliminación de calor del sistema por el crioenfriador se calcula como el enfriamiento necesario para bajar la temperatura del oxígeno gaseoso a su punto de ebullición y licuarlo. El resultado se muestra en la Tabla 6. El poder total, incluidas todas las contribuciones, se concluye en la Tabla 7. Todas las tablas se pueden ver en el documento de acceso abierto.

Más información: Donald Rapp et al, Adaptación de un sistema ISRU de Marte al entorno cambiante de Marte, Espacio: ciencia y tecnología (2023). DOI: 10.34133/espacio.0041

Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Beijing Press Co., Ltd.