地球外大気中の酸素を濃縮するための熱化学プロセスとコンパクトな装置: 実現可能性研究

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5148 (2023) この記事を引用

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火星の大気には 0.16% の酸素が含まれており、これは推進剤の前駆体または酸化剤として、生命維持システムや潜在的に科学実験に使用できる現場資源の一例です。 したがって、本研究は、熱化学プロセスを用いて酸素欠乏地球外大気中の酸素を濃縮するプロセスの発明、およびそのプロセスを実行するための適切な最良の場合の装置設計の決定に関する。 ペロブスカイト酸素ポンピング (POP) システムは、多価金属酸化物上の酸素の温度依存性化学ポテンシャルに基づく基礎的な化学プロセスを使用し、温度変動に応じて酸素を放出および吸収します。 したがって、この研究の主な目標は、酸素ポンプ システムに適した材料を特定し、システムの動作に必要な酸化還元温度と時間を最適化し、火星の最も過酷な環境条件下で 1 時間あたり 2.25 kg の酸素を生成することです。熱化学プロセスの概念に基づいています。 244Cm、238Pu、90Srなどの放射性物質は、POPシステムの動作のための熱源として分析され、技術の重要な側面、および動作コンセプトに関連する弱点や不確実性が特定されます。

地球の大気圏外での酸素の生成は、将来の有人宇宙ミッションにとって重要な要素です。 宇宙飛行士の地球への帰還には、大量の推進剤と、通常は対応するロケット エンジンの酸化剤としての酸素が必要です。 さらに、有人ミッションでの生命維持や、場合によっては科学実験にも酸素が必要です。

地球系外での最初の有人宇宙ミッションは火星を目指し、おそらく 21 世紀の 20 ～ 30 年代に打ち上げられると予想されています。 対応するミッションは、NASA や SpaceX などによって計画されています。 両組織は、有人ミッションに先立って無人ミッションで火星の現場で酸素を生成することを計画している。 火星での酸素の生成（現場資源利用（ISRU））は、火星から地球へのサンプルの無人帰還（火星サンプルリターン）にも必要となる可能性があります1。

SpaceXは、水の氷を採掘し、太陽光発電で生成した電気で水を電気分解することにより、火星で水素と酸素を生産する計画を立てている。 水素は火星の大気からの二酸化炭素を使用してメタンに変換され、酸素は帰国便の酸化剤として貯蔵されます2。 米国宇宙機関 NASA は、火星の大気中の CO2 を高温で電気分解して火星上で酸素を生成する計画を立てています。 このプロセスでは、CO2 は O2 と CO に分割されます。このプロセスは現在、MOXIE 実験の一環として火星探査機パーサヴィアランスでテストされています3。 2021 年 4 月 20 日、火星の大気中から 1 時間以内に 5.37 g の酸素を抽出することに初めて成功しました4。 計画されている有人ミッションでは、NASA は 420 地球日で 22.7 トンの液体酸素を生産する必要があると見積もりました。これは、1 時間あたりの平均酸素生産量 2.25 kg に相当します5。 出版物「Mars Design Reference Architecture 5.0」では、火星の大気から CO2 を抽出して酸素ガスを生成する ISRU システム (基本的には大型の MOXIE システム) の重量は約 1 トンであると想定されています6。 私たちの目標は地球外酸素生産における現在の最先端技術を超えることであるため、このような大型の装置と関連する発電装置は、この研究の参照マーカーとして使用されます。

NASA と SpaceX は両方とも電気分解の使用を計画しています。 必要な電気エネルギーは一次エネルギー源から生成する必要があり、これには固有の損失や精巧で重い技術機器が必要になります。 代替案として、酸素を集める熱化学プロセスを検討します。 熱化学プロセスは、空気分離による窒素の製造、水と CO2 の分解による酸素の除去、および酸素中の酸素の貯蔵のため、太陽研究および未来燃料研究所のドイツ航空宇宙センター (DLR) で開発されました。ポンプ7、8、9、10、11、12、13、14。 これらのシステムは酸素の濃縮にも使用でき15、必要な濃度勾配の生成は CO2 分解よりもエネルギー消費がはるかに少ないため、熱力学的観点から電気分解よりも優れています。