Processo termochimico e apparato compatto per la concentrazione di ossigeno in atmosfere extraterrestri: uno studio di fattibilità

Oct 14, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5148 (2023) Citare questo articolo

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L'atmosfera marziana contiene lo 0,16% di ossigeno, che è un esempio di risorsa in situ che può essere utilizzata come precursore o ossidante per propellenti, per sistemi di supporto vitale e potenzialmente per esperimenti scientifici. Pertanto, il presente lavoro è correlato all'invenzione di un processo per concentrare l'ossigeno nell'atmosfera extraterrestre povera di ossigeno mediante un processo termochimico e alla determinazione di un progetto di apparato adatto e ottimale per eseguire il processo. Il sistema di pompaggio dell’ossigeno della perovskite (POP) utilizza il processo chimico sottostante, che si basa sul potenziale chimico dell’ossigeno dipendente dalla temperatura sull’ossido metallico multivalente, per rilasciare e assorbire ossigeno in risposta agli sbalzi di temperatura. L'obiettivo principale di questo lavoro è quindi identificare i materiali adatti per il sistema di pompaggio dell'ossigeno e ottimizzare la temperatura e il tempo di ossidoriduzione, necessari per far funzionare il sistema, per produrre 2,25 kg di ossigeno all'ora nelle condizioni ambientali più estreme marziane. e basato sul concetto di processo termochimico. Materiali radioattivi come 244Cm, 238Pu e 90Sr vengono analizzati come fonte di calore per il funzionamento del sistema POP e vengono identificati gli aspetti critici della tecnologia, nonché i punti deboli e le incertezze legate al concetto operativo.

La generazione di ossigeno al di fuori dell'atmosfera terrestre è un fattore cruciale per le future missioni spaziali con equipaggio. Il ritorno degli astronauti sulla Terra richiede grandi quantità di propellente e solitamente ossigeno come ossidante per i corrispondenti motori a razzo. Inoltre, l’ossigeno è necessario per il supporto vitale nelle missioni con equipaggio ed eventualmente per gli esperimenti scientifici.

Si prevede che la prima missione spaziale con equipaggio al di fuori del sistema Terra mirerà al pianeta Marte e probabilmente sarà lanciata negli anni 20-30 del ventunesimo secolo. Missioni corrispondenti sono pianificate, tra gli altri, dalla NASA e da SpaceX. Entrambe le organizzazioni prevedono di produrre ossigeno sul posto su Marte in una missione senza equipaggio che precede la missione con equipaggio. La produzione di ossigeno su Marte (utilizzo delle risorse in situ (ISRU)) potrebbe essere necessaria anche per il ritorno senza equipaggio di campioni dal pianeta Marte alla Terra (Mars Sample Return)1.

SpaceX prevede di produrre idrogeno e ossigeno su Marte estraendo ghiaccio d'acqua ed elettrolizzando l'acqua con l'elettricità generata dall'energia solare fotovoltaica. L'idrogeno verrà convertito in metano utilizzando l'anidride carbonica dell'atmosfera marziana, mentre l'ossigeno verrà immagazzinato come ossidante per il volo di ritorno2. L'agenzia spaziale statunitense NASA prevede di produrre ossigeno su Marte mediante elettrolisi ad alta temperatura della CO2 dall'atmosfera marziana. In questo processo, la CO2 viene divisa in O2 e CO. Questo processo è attualmente in fase di test a bordo del rover su Marte Perseverance come parte dell'esperimento MOXIE3. Il 20 aprile 2021 è riuscito per la prima volta a estrarre 5,37 g di ossigeno dall'atmosfera marziana in un'ora4. Per la missione con equipaggio pianificata, la NASA ha stimato la necessità di produrre 22,7 tonnellate di ossigeno liquido in 420 giorni terrestri, che corrisponde a una produzione media di ossigeno di 2,25 kg all'ora5. Nella pubblicazione "Mars Design Reference Architecture 5.0", si presume che un sistema ISRU per l'estrazione di CO2 dall'atmosfera marziana e la generazione di ossigeno gassoso, sostanzialmente un sistema MOXIE potenziato, peserebbe circa una tonnellata6. Un dispositivo di questo tipo, così come le apparecchiature di generazione di energia associate, verranno utilizzati come punto di riferimento in questo studio, poiché il nostro obiettivo è quello di superare l’attuale tecnologia all’avanguardia nella produzione di ossigeno extraterrestre.

Sia la NASA che SpaceX pianificano l’uso dell’elettrolisi. L'energia elettrica necessaria deve essere generata da una fonte di energia primaria, il che comporta perdite intrinseche e apparecchiature tecniche elaborate e pesanti. In alternativa, consideriamo i processi termochimici per raccogliere l'ossigeno. Presso il Centro aerospaziale tedesco (DLR) negli Istituti per la ricerca solare e i combustibili futuri sono stati sviluppati processi termochimici per la produzione di azoto attraverso la separazione dell'aria e la rimozione di ossigeno mediante scissione di acqua e CO2, nonché l'immagazzinamento di ossigeno nell'ossigeno pompe7,8,9,10,11,12,13,14. Questi sistemi possono essere utilizzati anche per la concentrazione di ossigeno15 e offrono vantaggi rispetto all'elettrolisi dal punto di vista termodinamico, poiché la generazione del gradiente di concentrazione necessario richiede molta meno energia rispetto alla scissione della CO2.