|
Адаптация систем к изменяющимся условиям Марса
|
|
|
|
Человеческие миссии на Марс потребуют мощной ракеты-носителя, чтобы подняться с Марса и встретиться с ожидающей на орбите Марса машиной для возвращения на Землю. Для восходящей команды из 6 человек наилучшая оценка количества кислорода, необходимого для подъема, составляет около 30 метрических тонн. Производство кислорода для взлетного топлива и, возможно, жизнеобеспечения из местного углекислого газа на Марсе, а не доставка кислорода на Марс с Земли, приносит значительную пользу. Производство кислорода осуществляется с помощью процесса, известного как использование ресурсов на месте (ISRU). Поскольку проект Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE) с большим успехом продемонстрировал работу прототипа системы электролиза для преобразования марсианского CO2 в O2 на Марсе, теперь уместно исследовать масштабирование этого прототипа до полномасштабной системы.
|
|
|
|
В исследовательской статье, недавно опубликованной в журнале Space: Science & Technology, Дональд Рэпп и Эрик Хинтерман смоделировали производительность полномасштабной системы использования ресурсов Марса на месте (ISRU) для производства 30 метрических тонн жидкого O2, которая работала в течение 14 месяцев в качестве Окружающая среда Марса меняется ежедневно и сезонно. Во-первых, авторы представляют схему, требования и настройки системы ISRU. Упрощенная схема системы ИСРУ представлена на рис. 1. Сердцем системы является блок (или, что более вероятно, набор блоков) электролизеров, производящих поток О2 из анода и смеси CO, CO2 и инертные газы в выхлопе катода. Во время процесса компрессор сначала втягивает атмосферу Марса в систему и сжимает ее от давления Марса до давления дымовой трубы.
|
|
|
Теплообменник рекуперирует часть тепла от выхлопных газов в поступающий газ с Марса, и этот газ предварительно нагревается до температуры дымовой трубы перед входом в дымовую трубу. После электролиза в дымовой трубе стоки из дымовой трубы возвращаются в теплообменник для предварительного подогрева поступающего марсианского газа, катодный выхлоп сбрасывается, а анодный выхлоп подается в ожижитель. Кроме того, очень важно, чтобы напряжение на электролитических ячейках пакета(ов) было больше, чем напряжение Нернста для реакции производства кислорода (0,96 В), и меньше, чем напряжение Нернста для побочной реакции, которая отлагает углерод (1,13 В). . Система должна работать 14 месяцев (420 сол) со средней скоростью производства кислорода 3,0 кг/ч, чтобы произвести в общей сложности 30240 кг кислорода за этот период. Также есть несколько схем управления.
|
|
|
|
В варианте 1 электролизеры и ожижитель работают с постоянным расходом 3,0 кг/ч, а обороты компрессора в минуту (об/мин) регулируются так, чтобы они были выше, когда плотность Марса ниже, и наоборот. В варианте управления 2а число оборотов всегда поддерживается на уровне 3325, а размер компрессора такой же, как и в варианте управления 1, но количество ячеек в стеках уменьшено. В варианте управления 2b число оборотов всегда поддерживается на уровне 3325, а количество ячеек такое же, как и в варианте управления 1, но размер компрессора уменьшен. В варианте управления 2с количество ячеек и размер компрессора такие же, как и в варианте управления 1, но число оборотов всегда поддерживается на уровне 2705. Затем авторы исследуют сопротивление клеток внутренней области (iASR), плотность тока (Дж) и скорость потока при различных вариантах управления. Используется основное соотношение: Vop = + Vother + (iASR)(J), где Vop — среднее рабочее напряжение, приложенное к ячейке; потенциал Нернста для производства O2, усредненный по клетке; Vother — это напряжение, добавленное для балансировки уравнения.
|
|
|
|
Кроме того, анодное давление = катодное давление = 0,2 бар, коэффициент использования = 0,60 и предполагается, что iASR начинается с 1,00 Ом-см2 и увеличивается до 1,20 Ом-см2 после 420 сол работы. В варианте управления 1 необходимая площадь ячейки для производства 3 кг/ч кислорода составляет АТ = 83750 см2. При площади ячеек по 100 см2 для этого требуется 840 ячеек. Диапазон рабочих напряжений ячейки: Max Vop = 1,060, Avg. Vop = 1,048 и Min Vop = 1,036. Число оборотов в минуту варьируется от 3325 при минимальной плотности до 2706 при средней плотности и до 2251 при максимальной плотности. В варианте управления 2а Max Vop = 1,114, Avg. Vop = 1,078 и Min Vop = 1,037. Максимальное среднее напряжение ячейки опасно близко к напряжению Нернста для образования углерода, и, учитывая неопределенность в оценке iASR, этот вариант неприемлем. В варианте управления 2b, Max Vop = 1,077, Avg. Vop = 1,048 и Min Vop = 1,014. В варианте управления 2с Max Vop = 1,077, Avg. Vop = 1,048 и Min Vop = 1,014, что практически совпадает с вариантом управления 2b.
|
|
|
|
Наконец, авторы обсуждают результаты и делают выводы. Что касается системы твердооксидного электролиза (SOXE), электрохимическая мощность составляет 14,6 кВт для варианта управления 1 и 4,87*FO2 кВт для варианта управления 2. Мощность предварительного нагрева оценивается примерно в 0,5 кВт. Потери тепла составляют примерно 0,35 кВт, хотя это зависит от атмосферных условий. Полная мощность SOXE для любого варианта управления представляет собой сумму электрохимической мощности, мощности предварительного нагрева и мощности тепловых потерь. Прогоны для различных вариантов управления дают результаты, показанные в таблице 4. Что касается компрессора, адиабатический КПД является функцией неэффективности его компонентов, включая потери в двигателе, трение в уплотнениях и трение в подшипниках. В таблице 5 приведены требования к мощности для сжатия при различных вариантах управления. Скорость отвода тепла из системы криорефрижератором рассчитывается как охлаждение, необходимое для понижения температуры газообразного кислорода до точки его кипения и его сжижения. Результат показан в таблице 6. Общая мощность, включая все вклады, приведена в таблице 7. Все таблицы можно просмотреть в документе с открытым доступом.
|
|
|
|
Источник
|
