Les scientifiques proposent d'adapter un système Mars ISRU à l'environnement changeant de Mars

17 août 2023

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relire

par l'Institut de technologie de Pékin Press Co., Ltd

Les missions humaines vers Mars nécessiteront un lanceur important pour remonter de Mars et rejoindre un véhicule de retour sur Terre en attente sur l'orbite de Mars. Pour un équipage de 6 personnes, la meilleure estimation actuelle des propulseurs à oxygène nécessaires à l'ascension est d'environ 30 tonnes métriques. La production d’oxygène pour les propulseurs d’ascension et éventuellement le maintien de la vie à partir du CO2 indigène sur Mars, plutôt que d’amener de l’oxygène sur Mars depuis la Terre, présente un avantage considérable.

La production d'oxygène est réalisée grâce à un processus connu génériquement sous le nom d'utilisation des ressources in situ (ISRU). Depuis que le projet Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE) a démontré avec beaucoup de succès le fonctionnement d’un prototype de système d’électrolyse pour convertir le CO2 martien en O2 sur Mars, il est maintenant approprié d’étudier la possibilité de transformer ce prototype en un système à grande échelle.

Dans un article de recherche récemment publié dans Space: Science & Technology, Donald Rapp et Eric Hinterman ont modélisé les performances d'un système d'utilisation des ressources in situ (ISRU) à grande échelle sur Mars pour produire 30 tonnes d'O2 liquide, exploité pendant 14 mois comme le L’environnement de Mars change de façon diurne et saisonnière.

Tout d’abord, les auteurs présentent la disposition, les exigences et les paramètres du système ISRU. La disposition simplifiée du système ISRU est illustrée à la figure 1. Le cœur du système est la pile (ou, plus probablement, un ensemble de piles) de cellules d'électrolyse, produisant un flux d'O2 hors de l'anode et un mélange de CO, CO2 et gaz inertes dans l'échappement cathodique. Pendant que le processus fonctionne, un compresseur aspire d’abord l’atmosphère de Mars dans le système et la comprime de la pression de Mars à la pression de l’empilement.

Un échangeur de chaleur récupère une partie de la chaleur des gaz d'échappement vers le gaz entrant en provenance de Mars, et ce gaz est préchauffé à la température de la cheminée avant d'entrer dans la cheminée. Après l'électrolyse dans la cheminée, l'effluent de la cheminée est renvoyé vers l'échangeur de chaleur pour préchauffer le gaz de Mars entrant, et les gaz d'échappement de la cathode sont évacués, tandis que les gaz d'échappement de l'anode sont acheminés vers le liquéfacteur.

De plus, il est essentiel que la tension aux bornes des cellules électrolytiques du ou des empilements soit supérieure à la tension de Nernst pour la réaction de production d'oxygène (0,96 V) et inférieure à la tension de Nernst pour la réaction secondaire qui dépose du carbone (1,13 V). . Le système doit fonctionner pendant 14 mois (420 sols) avec un taux de production moyen d'oxygène de 3,0 kg/h pour produire un total de 30 240 kg d'oxygène sur cette période. Il existe également plusieurs systèmes de contrôle.

Dans l'option 1, les cheminées d'électrolyse et le liquéfacteur fonctionnent à un débit constant de 3,0 kg/h, tandis que le nombre de tours par minute (RPM) du compresseur est contrôlé pour être plus élevé lorsque la densité de Mars est inférieure, et vice versa. Dans l'option de contrôle 2a, le régime est toujours maintenu à 3 325 et le compresseur a la même taille que dans l'option de contrôle 1, mais le nombre de cellules dans les piles est réduit.

Dans l'option de contrôle 2b, le régime est toujours maintenu à 3 325 et le nombre de cellules est le même que dans l'option de contrôle 1, mais la taille du compresseur est réduite. Dans l'option de contrôle 2c, le nombre de cellules et la taille du compresseur sont les mêmes que dans l'option de contrôle 1, mais le régime est toujours maintenu à 2 705.

Ensuite, les auteurs examinent la résistance cellulaire intrinsèque spécifique à une zone (iASR), la densité de courant (J) et le débit dans différentes options de contrôle. La relation de base : Vop = + Vother + (iASR)(J) est utilisée, dans laquelle Vop est la tension de fonctionnement moyenne appliquée à une cellule ; est le potentiel de Nernst pour la production d'O2, moyenné dans une cellule ; Vother est une tension ajoutée pour équilibrer l'équation.