과학자들은 변화하는 화성 환경에 화성 ISRU 시스템을 적용할 것을 제안합니다.

2023년 8월 17일

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사실 확인된

교정하다

베이징 기술 연구소 프레스 유한 공사(Beijing Institute of Technology Press Co., Ltd)

화성으로의 인간 임무에는 화성 궤도에서 대기 중인 지구 귀환 차량과의 만남을 위해 화성에서 상승하기 위한 상당한 발사체가 필요합니다. 6명의 상승 승무원의 경우 현재 상승에 필요한 산소 추진제의 최적 추정치는 약 30미터톤입니다. 지구에서 화성으로 산소를 가져오는 것보다 화성의 토착 CO2로부터 상승 추진제 및 생명 유지를 위한 산소를 생산하는 것은 상당한 이점을 제공합니다.

산소 생산은 일반적으로 ISRU(현장 자원 활용)로 알려진 프로세스를 통해 수행됩니다. 화성 산소 ISRU 실험(MOXIE) 프로젝트에서 화성의 CO2를 O2로 변환하는 프로토타입 전기분해 시스템의 작동을 화성에서 큰 성공을 거두었으므로 이제 이 프로토타입을 본격적인 시스템으로 확장하는 방법을 조사하는 것이 적절합니다.

최근 Space: Science & Technology에 발표된 연구 논문에서 Donald Rapp과 Eric Hinterman은 14개월 동안 운영되는 30미터톤의 액체 O2를 생산하는 본격적인 화성 현장 자원 활용(ISRU) 시스템의 성능을 모델링했습니다. 화성 환경은 일별 및 계절별로 변화합니다.

먼저 저자는 ISRU 시스템 레이아웃, 요구 사항 및 설정을 소개합니다. ISRU 시스템의 단순화된 레이아웃은 그림 1에 나와 있습니다. 시스템의 핵심은 양극에서 O2 흐름과 다음의 혼합물을 생성하는 전기분해 셀의 스택(또는 스택 세트)입니다. 음극 배기가스의 CO, CO2 및 불활성 가스. 프로세스가 작동하는 동안 압축기는 먼저 화성 대기를 시스템으로 끌어들이고 이를 화성 압력에서 스택 압력으로 압축합니다.

열 교환기는 배기 가스의 일부 열을 화성에서 들어오는 가스로 회수하고, 이 가스는 스택에 들어가기 전에 스택 온도로 예열됩니다. 스택에서 전기분해된 후 스택의 유출물은 열교환기로 다시 공급되어 들어오는 화성 가스를 예열하고 음극 배기 가스는 배출되는 반면 양극 배기 가스는 액화기로 공급됩니다.

또한, 스택의 전해조 양단의 전압이 산소 생성 반응의 네른스트 전압(0.96V)보다 크고 탄소를 증착하는 부반응의 네른스트 전압(1.13V)보다 낮아야 하는 것이 중요합니다. . 시스템은 이 기간 동안 총 30,240kg의 산소를 생산하기 위해 3.0kg/h의 평균 산소 생산 속도로 14개월(420솔) 작동되어야 합니다. 또한 여러 가지 제어 방식이 있습니다.

옵션 1에서는 전기분해 스택과 액화기가 3.0kg/h의 일정한 유량으로 작동되고, 압축기 RPM(분당 회전수)은 화성 밀도가 낮을수록 커지도록 제어되며, 그 반대도 마찬가지입니다. 제어 옵션 2a에서는 RPM을 항상 3325로 유지하고, 압축기의 크기는 제어 옵션 1과 동일하지만 스택의 셀 수는 줄어든다.

제어 옵션 2b에서는 RPM을 항상 3325로 유지하며, 셀 수는 제어 옵션 1과 동일하지만 압축기의 크기가 작아진다. 제어 옵션 2c에서는 셀 개수와 압축기 크기는 제어 옵션 1과 동일하지만 RPM은 항상 2705를 유지한다.

그런 다음 저자는 다양한 제어 옵션에서 고유 영역별 세포 저항(iASR), 전류 밀도(J) 및 유속을 조사합니다. 기본 관계식: Vop = + Vother + (iASR)(J)가 사용됩니다. 여기서 Vop은 셀에 적용되는 평균 작동 전압입니다. 는 셀 전체에 걸쳐 평균된 O2 생산에 대한 Nernst 잠재력입니다. Vother는 방정식의 균형을 맞추기 위해 추가된 전압입니다.