In situ ressourceudnyttelse - In situ resource utilization

ISRU omvendt vandgasforskydning testbed (NASA KSC)

I rumforskning er in situ ressourceudnyttelse ( ISRU ) praksis med indsamling, behandling, lagring og brug af materialer fundet eller fremstillet på andre astronomiske objekter (Månen, Mars, asteroider osv.), Som erstatter materialer, der ellers ville blive bragt fra Jorden.

ISRU kunne levere materialer til livsstøtte , drivmidler , byggematerialer og energi til et rumfartøjs nyttelast eller rumundersøgelsesbesætninger. Det er nu meget almindeligt, at rumfartøjer og robotiske planetariske overflademissioner udnytter solstrålingen, der findes på stedet i form af solpaneler . Brugen af ​​ISRU til materialeproduktion er endnu ikke implementeret i en rummission, selvom flere felttest i slutningen af ​​2000'erne demonstrerede forskellige måne -ISRU -teknikker i et relevant miljø.

ISRU er længe blevet betragtet som en mulig vej til at reducere massen og omkostningerne ved rumforskningsarkitekturer, idet det kan være en måde at drastisk reducere mængden af ​​nyttelast, der skal affyres fra Jorden for at udforske et givet planetarisk legeme . Ifølge NASA vil "in-situ ressourceudnyttelse muliggøre overkommelig etablering af udenjordisk efterforskning og operationer ved at minimere de materialer, der transporteres fra Jorden."

Anvendelser

Vand

I forbindelse med ISRU søges vand oftest direkte som brændstof eller som råstof til brændstofproduktion. Ansøgninger omfatter dets anvendelse i livsstøtte enten direkte ved at drikke, til at dyrke mad , producere ilt eller mange andre industrielle processer, som alle kræver en klar tilførsel af vand i miljøet og udstyret til at udvinde det. Sådant udenjordisk vand er blevet opdaget i forskellige former i hele solsystemet, og en række potentielle vandudvindingsteknologier er blevet undersøgt. For vand, der er kemisk bundet til regolith , fast is eller en eller anden form for permafrost, kan tilstrækkelig opvarmning genvinde vandet. Dette er dog ikke så let, som det ser ud til, fordi is og permafrost ofte kan være hårdere end almindelig sten, hvilket nødvendiggør besværlige minedrift. Hvor der er et bestemt atmosfæreniveau, f.eks. På Mars, kan vand udvindes direkte fra luften ved hjælp af en simpel proces som WAVAR . En anden mulig vandkilde er dybe vandførere, der holdes varme af Mars latente geologiske varme, som kan tappes for at levere både vand og geotermisk kraft.

Raket drivmiddel

Rocket -drivmiddelproduktion er blevet foreslået fra Månens overflade ved at behandle vandis påvist ved polerne . De sandsynlige vanskeligheder omfatter arbejde ved ekstremt lave temperaturer og ekstraktion fra regolitten . De fleste ordninger elektrolyserer vandet for at producere brint og ilt og opbevarer dem kryogenisk som væsker. Dette kræver store mængder udstyr og kraft for at opnå. Alternativt kan det være muligt at opvarme vand i en atom- eller solterraket , som muligvis kan levere en stor masse fra Månen til lav jordbane (LEO) på trods af den meget lavere specifikke impuls , for en given mængde på udstyr.

Den monopropellant hydrogenperoxid (H 2 O 2 ) kan fremstilles af vand på Mars og Månen.

Aluminium såvel som andre metaller er blevet foreslået til brug som raketdrivmiddel fremstillet ved hjælp af månens ressourcer, og forslag omfatter omsætning af aluminium med vand.

For Mars kan metan -drivmiddel fremstilles via Sabatier -processen. SpaceX har foreslået at bygge et drivgassanlæg på Mars, der ville bruge denne proces til at producere metan ( CH
4) og flydende oxygen (O 2 ) fra is under overfladevand og atmosfærisk CO
2.

Produktion af solceller

Det er længe blevet foreslået, at solceller kunne produceres af de materialer, der findes i månens jord. Silicium, aluminium og glas, tre af de primære materialer, der kræves til produktion af solceller, findes i høje koncentrationer i månens jord og kan bruges til at producere solceller. Faktisk giver det native vakuum på månens overflade et glimrende miljø for direkte vakuumaflejring af tyndfilmsmaterialer til solceller.

Solopstillinger produceret på månens overflade kan bruges til at understøtte månens overfladeoperationer samt satellitter fra månens overflade. Solarrays produceret på månens overflade kan vise sig at være mere omkostningseffektive end solarrays produceret og sendt fra Jorden, men denne handel afhænger meget af placeringen af ​​den pågældende applikation.

En anden potentiel anvendelse af måneafledte solarrays er at levere strøm til Jorden. I sin oprindelige form, kendt som solenergisatellitten , var forslaget tænkt som en alternativ strømkilde til Jorden . Solceller ville blive lanceret i Jordens kredsløb og samlet, med den resulterende genererede strøm overført ned til Jorden via mikrobølgestråler. På trods af meget arbejde med omkostningerne ved et sådant foretagende lå usikkerheden i omkostningerne og kompleksiteten ved fremstillingsprocedurer på månens overflade.

Byggematerialer

Koloniseringen af ​​planeter eller måner vil kræve opnåelse af lokale byggematerialer , såsom regolith . For eksempel producerer undersøgelser, der anvender kunstig Mars -jord blandet med epoxyharpiks og tetraethoxysilan , høje nok værdier af styrke-, modstands- og fleksibilitetsparametre.

Asteroide-minedrift kan også indebære ekstraktion af metaller til byggemateriale i rummet, hvilket kan være mere omkostningseffektivt end at bringe sådant materiale ud af Jordens dybe tyngdekraft eller et andet stort legeme som Månen eller Mars . Metalliske asteroider indeholder enorme mængder siderofile metaller , herunder ædle metaller .

Placeringer

Mars

Se også: SpaceX Mars transportinfrastruktur og Mars Direct

ISRU -forskning for Mars er primært fokuseret på at levere raketdrivmiddel til en returflyvning til Jorden - enten til en besætning eller en prøve returopgave - eller til brug som brændstof på Mars. Mange af de foreslåede teknikker udnytter Mars ' velkarakteriserede atmosfære som råstof. Da dette let kan simuleres på Jorden, er disse forslag relativt enkle at implementere, selvom det på ingen måde er sikkert, at NASA eller ESA vil favorisere denne fremgangsmåde frem for en mere konventionel direkte mission.

Et typisk forslag til ISRU er brugen af ​​en Sabatier -reaktion , CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O , for at producere metan på Mars -overfladen, der skal bruges som drivmiddel. Oxygen frigøres fra vandet ved elektrolyse , og hydrogenet genbruges tilbage til Sabatier -reaktionen. Nyttigheden af ​​denne reaktion er, at man fra 2008, da tilgængeligheden af ​​vand på Mars var mindre videnskabeligt påvist, kun tænkte på brintet (som er let), der skulle bringes fra Jorden.

Som af 2018 SpaceX er at udvikle teknologien til en Mars drivmiddel plante , der vil bruge en variation af det, der er beskrevet i det foregående afsnit. I stedet for at transportere brint fra jorden til brug ved fremstilling af metan og ilt, har de til hensigt at udvinde det nødvendige vand fra underjordisk is , der nu vides at være rigeligt på en stor del af Mars-overfladen, producere og derefter lagre post-Sabatier-reaktanterne, og derefter bruge det som drivmiddel til returflyvninger på deres Starship tidligst 2023.

En lignende reaktion foreslås for Mars er den omvendte vandgasskiftereaktion , CO 2 + H 2 → CO + H 2 O . Denne reaktion finder sted hurtigt i nærvær af en jern-krom katalysator ved 400 ° Celsius og er blevet implementeret i en jordbaseret testbed af NASA. Igen genanvendes brint fra vandet ved elektrolyse , og reaktionen har kun brug for en lille mængde brint fra Jorden. Nettoresultatet af denne reaktion er produktion af ilt, der skal bruges som oxidationsmiddelkomponent i raketbrændstof.

En anden reaktion, der foreslås for produktion af ilt og brændstof, er elektrolyse af atmosfærisk kuldioxid,

Det er også blevet foreslået in situ produktion af ilt, brint og CO fra Mars- hæmatitaflejringer via et totrins termokemisk CO
2/ H 2 O opdelingsproces, og specifikt i magnetit / wustite redox cyklus. Selv termolyse er den mest direkte, ettrinsproces til spaltning molekyler, er det hverken er praktisk eller effektivt i tilfælde af enten H 2 O eller CO 2 . Dette skyldes, at processen kræver en meget høj temperatur (> 2.500 ° C) for at opnå en nyttig dissociationsfraktion. Dette giver problemer med at finde egnede reaktormaterialer, tab på grund af kraftig produktkombination og overdrevne blændestrålingstab, når der anvendes koncentreret solvarme. Magnetit/wustite redox-cyklussen blev først foreslået til solapplikation på jorden af ​​Nakamura, og var en af ​​de første, der blev brugt til soldrevet to-trins vandopdeling. I denne cyklus reagerer vand med wustit (FeO) for at danne magnetit (Fe 3 O 4 ) og hydrogen. De opsummerede reaktioner i denne to-trins opdelingsproces er som følger:

og det opnåede FeO bruges til termisk opdeling af vand eller CO 2  :

3FeO + H 2 O → Fe 3 O 4 + H 2
3FeO + CO 2 → Fe 3 O 4 + CO

Denne proces gentages cyklisk. Ovenstående proces resulterer i en væsentlig reduktion i den termiske energiindgang, hvis den sammenlignes med den mest direkte et-trins proces til opdeling af molekyler.

Processen har imidlertid brug for wustite (FeO) for at starte cyklussen, men på Mars er der ingen wustite eller i hvert fald ikke i betydelige mængder. Ikke desto mindre kan wustit let opnås ved reduktion af hæmatit (Fe 2 O 3 ), som er et rigeligt materiale på Mars, idet det især er iøjnefaldende de stærke hæmatitaflejringer placeret ved Terra Meridiani . Anvendelsen af ​​wustit fra hæmatitten, der er rigeligt tilgængelig på Mars, er en velkendt industriel proces på Jorden og udføres af følgende to hovedreduktionsreaktioner:

3Fe 2 O 3 + H 2 → 2Fe 3 O 4 + H 2 O
3Fe 2 O 3 + CO → 2Fe 3 O 4 + CO 2

Den foreslåede Mars Surveyor lander fra 2001 skulle demonstrere fremstilling af ilt fra Mars ' atmosfære og teste solcelleteknologier og metoder til at afbøde effekten af Mars -støv på elsystemerne, men projektet blev aflyst. The Mars 2020 rover mission indbefatter en ISRU teknologi demonstrationsmodel (den Mars Oxygen ISRU Experiment ), som vil udtrække CO 2 fra atmosfæren og producerer O 2 .

Det er blevet foreslået, at bygninger på Mars kunne laves af basalt, da det har gode isolerende egenskaber. En underjordisk struktur af denne type ville kunne beskytte livsformer mod stråling.

Alle de ressourcer, der kræves for at få plast til at eksistere på Mars. Mange af disse komplekse reaktioner er i stand til at blive afsluttet fra de gasser, der er høstet fra Mars -atmosfæren. Spor af frit ilt, kulilte, vand og metan er alle kendt for at eksistere. Hydrogen og ilt kan fremstilles ved elektrolyse af vand, kulilte og ilt ved elektrolyse af kuldioxid og metan ved Sabatier -reaktionen af ​​kuldioxid og brint. Disse grundlæggende reaktioner danner byggestenene til mere komplekse reaktionsserier, der er i stand til at fremstille plast. Ethylen bruges til fremstilling af plast såsom polyethylen og polypropylen og kan fremstilles af kulilte og hydrogen:

2CO + 4H 2 → C 2 H 4 + 2H 2 O .

Måne

Hovedartikel: Månens ressourcer

Månen besidder rigelige råmaterialer, der potentielt er relevante for et hierarki af fremtidige applikationer, begyndende med brugen af ​​månematerialer til at lette menneskelige aktiviteter på selve Månen og udvikler sig til brug af månens ressourcer til at understøtte en fremtidig industriel kapacitet inden for Jorden- Månesystem. Naturressourcer omfatter solenergi, ilt, vand, brint og metaller.

Månens højland materiale anorthit kan anvendes som aluminium malm . Smelteværker kan producere rent aluminium, calciummetal, ilt og silicaglas fra anortit. Rå anorthit er også god til fremstilling af glasfiber og andre glas- og keramikprodukter. En særlig behandlingsteknik er at bruge fluor hentet fra Jorden som kaliumfluorid til at adskille råvarerne fra månens klipper.

Der er blevet foreslået over tyve forskellige metoder til ilt ekstraktion fra månens regolith. Ilt findes ofte i jernrige månemineraler og glas som jernoxid . Oxygenet kan ekstraheres ved at opvarme materialet til temperaturer over 900 ° C og udsætte det for hydrogengas. Den grundlæggende ligning er: FeO + H 2 → Fe + H 2 O. Denne proces er for nylig blevet gjort meget mere praktisk ved opdagelsen af betydelige mængder af hydrogen -holdige regolith nær Månens poler af Clementine rumfartøj .

Månematerialer kan også bruges som et generelt konstruktionsmateriale ved hjælp af behandlingsteknikker såsom sintring , varmpressning, flydende og støbt basaltmetode . Støbt basalt bruges på jorden til konstruktion af for eksempel rør, hvor der kræves en høj slidstyrke. Glas og glasfiber er ligetil at behandle på Månen og Mars. Basaltfiber er også fremstillet af måneregolit -simulatorer.

Succesfulde test er blevet udført på Jorden ved hjælp af to måneregolit-simulanter MLS-1 og MLS-2 . I august 2005 indgik NASA kontrakt om produktion af 16 tons simuleret månejord, eller måleregolithsimulantmateriale til forskning i, hvordan månens jord kunne udnyttes in situ .

Marsmåner, Ceres, asteroider

Andre forslag er baseret på Phobos og Deimos . Disse måner er i rimeligt høje baner over Mars, har meget lave flugthastigheder, og i modsætning til Mars har de delta-v'er tilbage fra deres overflader til LEO, som er mindre end retur fra Månen.

Ceres er længere ude end Mars, med en højere delta-v, men udsendelsesvinduer og rejsetider er bedre, og overfladetyngden er kun 0,028 g med en meget lav flugthastighed på 510 m/s. Forskere har spekuleret i, at den indvendige konfiguration af Ceres indeholder en vand-isrig kappe over en stenet kerne.

Nær Jorden Asteroider og kroppe i asteroidebæltet kan også være kilder til råvarer til ISRU.

Planetariske atmosfærer

Der er blevet fremsat forslag til "minedrift" til raketfremdrivning ved hjælp af det, der kaldes en Propulsive Fluid Accumulator . Atmosfæriske gasser som ilt og argon kunne ekstraheres fra atmosfæren på planeter som Jorden, Mars og de ydre Gasgiganter ved hjælp af fremdrivende væskeakkumulator -satellitter i lav kredsløb.

ISRU -kapacitetsklassificering (NASA)

I oktober 2004 bestilte NASAs kontor for avanceret planlægning og integration et ISRU -køreplansteam. Teamets rapport blev udgivet 22. maj 2005 sammen med 14 andre roadmap -teams. Rapporten identificerer syv ISRU -muligheder: (i) ressourceudvinding, (ii) materialehåndtering og transport, (iii) ressourcebehandling, (iv) overfladefremstilling med in situ -ressourcer, (v) overfladekonstruktion, (vi) overflade -ISRU -produkt og forbrugsvarer, opbevaring og distribution, og (vii) ISRU's unikke udviklings- og certificeringsmuligheder.

Rapporten fokuserer på månens og marsmiljøer. Det tilbyder en detaljeret tidslinje og køreplan til 2040, men det forudsætter månelandere i 2010 og 2012.

ISRU teknologidemonstratorer og prototyper

Den Lander Mars Surveyor 2001 blev beregnet til at bære til Mars en test nyttelast, MIP (Mars ISPP Precursor), der var at demonstrere fremstillingen af oxygen fra atmosfæren af Mars, men missionen blev annulleret.

The Mars Oxygen ISRU Eksperiment (Moxie) er en 1% skala prototypemodel ombord på Mars 2020 rover Perseverance der producerer ilt fra Mars atmosfærisk kuldioxid ( CO 2 ) i en proces, der kaldes fast oxid elektrolyse . Eksperimentet producerede sine første 5,37 gram ilt den 20. april 2021.

Lunar Resource Prospector- roveren var designet til at spejde efter ressourcer på et polært område af Månen, og det blev foreslået at blive lanceret i 2022. Missionskonceptet var stadig i sit præformuleringsfase, og en prototype rover blev testet, da den blev skrottet i april 2018. Dens videnskabelige instrumenter vil i stedet blive fløjet på flere kommercielle landingsmissioner, der er indgået af NASAs nye Commercial Lunar Payload Services (CLSP) -program, der har til formål at fokusere på at teste forskellige månens ISRU -processer ved at lande flere nyttelast på flere kommercielle landere og rovere. Den første formelle opfordring forventes engang i 2019.

Se også

Referencer

Yderligere læsning

eksterne links