Procédé thermochimique et appareil compact pour concentrer l'oxygène dans les atmosphères extraterrestres : une étude de faisabilité

Oct 14, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5148 (2023) Citer cet article

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L'atmosphère martienne contient 0,16 % d'oxygène, ce qui est un exemple de ressource in situ qui peut être utilisée comme précurseur ou oxydant pour les propulseurs, pour les systèmes de survie et potentiellement pour des expériences scientifiques. Ainsi, le présent travail est lié à l'invention d'un procédé pour concentrer l'oxygène dans l'atmosphère extraterrestre pauvre en oxygène au moyen d'un procédé thermochimique et à la détermination d'une conception d'appareil adaptée au meilleur cas pour mettre en œuvre le procédé. Le système de pompage d'oxygène pérovskite (POP) utilise le processus chimique sous-jacent, qui est basé sur le potentiel chimique dépendant de la température de l'oxygène sur l'oxyde métallique multivalent, pour libérer et absorber l'oxygène en réponse aux variations de température. L'objectif principal de ce travail est donc d'identifier les matériaux appropriés pour le système de pompage d'oxygène et d'optimiser la température et le temps d'oxydo-réduction, nécessaires pour faire fonctionner le système, afin de produire 2,25 kg d'oxygène par heure dans les conditions environnementales martiennes les plus extrêmes. et basé sur le concept de procédé thermochimique. Les matériaux radioactifs tels que le 244Cm, le 238Pu et le 90Sr sont analysés comme source de chaleur pour le fonctionnement du système POP, et les aspects critiques de la technologie ainsi que les faiblesses et les incertitudes liées au concept opérationnel sont identifiés.

La génération d'oxygène en dehors de l'atmosphère terrestre est un facteur crucial pour les futures missions spatiales habitées. Le retour des astronautes sur Terre nécessite de grandes quantités de propulseur et généralement d'oxygène comme oxydant pour les moteurs de fusée correspondants. De plus, l'oxygène est nécessaire pour le maintien de la vie lors de missions habitées et éventuellement pour des expériences scientifiques.

Il est prévu que la première mission spatiale habitée en dehors du système terrestre visera la planète Mars, et sera probablement lancée dans les 20 à 30 s du XXIe siècle. Des missions correspondantes sont prévues par la NASA et SpaceX, entre autres. Les deux organisations prévoient de produire de l'oxygène sur place sur Mars dans une mission sans pilote qui précède la mission habitée. La production d'oxygène sur Mars (utilisation des ressources in situ (ISRU)) peut également être nécessaire pour le retour sans pilote d'échantillons de la planète Mars vers la Terre (Mars Sample Return)1.

SpaceX prévoit de produire de l'hydrogène et de l'oxygène sur Mars en extrayant de la glace d'eau et en électrolysant l'eau avec de l'électricité produite à partir de l'énergie solaire photovoltaïque. L'hydrogène sera converti en méthane grâce au dioxyde de carbone de l'atmosphère martienne, tandis que l'oxygène sera stocké comme oxydant pour le vol de retour2. L'agence spatiale américaine NASA prévoit de produire de l'oxygène sur Mars par électrolyse à haute température du CO2 de l'atmosphère martienne. Dans ce processus, le CO2 est divisé en O2 et CO. Ce processus est actuellement testé à bord du rover Mars Perseverance dans le cadre de l'expérience MOXIE3. Le 20 avril 2021, il a réussi pour la première fois à extraire 5,37 g d'oxygène de l'atmosphère martienne en une heure4. Pour la mission habitée prévue, la NASA a estimé la nécessité de produire 22,7 tonnes d'oxygène liquide en 420 jours terrestres, ce qui correspond à une production moyenne d'oxygène de 2,25 kg par heure5. Dans la publication "Mars Design Reference Architecture 5.0", il est supposé qu'un système ISRU pour extraire le CO2 de l'atmosphère martienne et générer de l'oxygène gazeux, essentiellement un système MOXIE amélioré, pèserait environ une tonne métrique6. Un tel dispositif amélioré, ainsi que l'équipement de production d'énergie associé, seront utilisés comme marqueur de référence dans cette étude, car notre objectif est de surpasser la technologie de pointe actuelle en matière de production d'oxygène extraterrestre.

La NASA et SpaceX prévoient l'utilisation de l'électrolyse. L'énergie électrique nécessaire doit être générée à partir d'une source d'énergie primaire, ce qui implique des pertes inhérentes ainsi que des équipements techniques élaborés et lourds. Comme alternative, nous considérons les processus thermochimiques pour recueillir l'oxygène. Des procédés thermochimiques ont été développés au Centre aérospatial allemand (DLR) dans les Instituts de recherche solaire et des carburants du futur pour la production d'azote par séparation de l'air et l'élimination de l'oxygène par séparation de l'eau et du CO2, ainsi que le stockage de l'oxygène dans l'oxygène. pompes7,8,9,10,11,12,13,14. Ces systèmes peuvent également être utilisés pour la concentration d'oxygène15 et présentent des avantages par rapport à l'électrolyse d'un point de vue thermodynamique, puisque la génération du gradient de concentration nécessaire est beaucoup moins énergivore que la séparation du CO2.

Ceci est rendu possible parce que l'atmosphère martienne contient 0,16 % d'oxygène, ce qui entraîne une pression partielle moyenne d'oxygène d'environ 1,36 Pa à la surface16. Les conditions atmosphériques locales varient considérablement au fil des saisons sur Mars et en raison de l'altitude et de la latitude locales. Ceci est discuté plus en détail dans la section sur les conditions dans l'atmosphère martienne ci-dessous.

Le principe de base d'une pompe à oxygène à pérovskite (POP) est l'oxydation d'une pérovskite partiellement réduite avec de l'oxygène atmosphérique et la libération ultérieure de cet oxygène pur dans un volume clos à une pression partielle plus élevée en augmentant la température. La chaleur provenant de la désintégration radioactive naturelle des composés radio-isotopiques (RIC) est envisagée comme la principale source de chauffage pour le matériau pérovskite de ce nouveau système POP. L'idée d'utiliser le RIC vient de procédés nucléaires utilisés depuis longtemps pour générer de la chaleur et de l'électricité pour les besoins énergétiques17. Bien que cette méthode soit associée à des applications à grande échelle, il existe également des applications à petite échelle qui utilisent des RIC, comme les générateurs thermoélectriques radio-isotopiques (RTG)17 qui sont souvent installés dans des objets spatiaux nécessitant de l'énergie. Ils ont été soutenus par la NASA18 pour des missions spatiales19 et récemment pour la production d'électricité sur Mars20 car ils sont considérés comme particulièrement fiables, principalement en raison de leur légèreté et de leur compacité21. Tous ces facteurs font des RIC la source de chauffage idéale pour le système POP, d'autant plus que l'énergie solaire sur Mars est inefficace et que le système POP doit fonctionner pendant de longues périodes sans assistance humaine.

Pour le matériau pérovskite, Vieten et al.22,23 étudient expérimentalement et théoriquement un grand nombre de pérovskites appropriées pour le cycle redox thermochimique solaire en deux étapes, qui sont utilement utilisées pour étudier les courbes d'équilibre afin de déterminer le profil de propriétés tempérées approprié pour cette application. . Ce travail étudie donc la faisabilité de cette nouvelle idée. Cela comprend l'identification du matériau pérovskite adapté au processus thermochimique qui ne formera pas de carbonates stables, la définition des conditions aux limites d'un système comme alternative à un MOXIE amélioré, la conceptualisation de la conception et l'optimisation des variables importantes telles que le poids total et les performances thermiques primaires. Plusieurs aspects intéressants qui nécessitent des recherches supplémentaires sont également mentionnés, et des recommandations pour d'autres travaux futurs sont fournies.

Le système POP repose sur le processus chimique sous-jacent qui est basé sur le potentiel chimique dépendant de la température de l'oxygène sur les oxydes métalliques multivalents. De tels oxydes métalliques sont par exemple les pérovskites (ABO3), où A et B sont deux métaux différents. A l'état oxydé ABO3, il libère de l'oxygène en équilibre thermodynamique lorsque la température est augmentée et/ou la pression partielle d'oxygène est abaissée avec réduction à l'état réduit ABO3-δ, où δ est la non-stœchiométrie d'oxygène :

L'oxyde métallique réduit peut alors à nouveau absorber de l'oxygène à une température plus basse et/ou une pression partielle d'oxygène plus élevée et est ainsi réoxydé :

La réduction et l'oxydation conduisent respectivement à la formation ou au remplissage de lacunes d'oxygène.

La température de l'étape d'oxydation est typiquement comprise entre 250 et 700 °C, l'étape de réduction est effectuée entre 500 et 1000 °C. La force motrice de ce processus redox est l'énergie libre de Gibbs (ΔG) qui dépend de l'enthalpie spécifique du matériau (ΔH) et de l'entropie (ΔS) et peut être influencée par les paramètres du processus pression partielle d'oxygène (\(p_{{{\text {O}}_{2} }}\)) et température (T) :

où R est la constante des gaz et p° est la pression partielle d'oxygène de référence. Le symbole ° indique que la valeur est à la pression standard.

Les températures et les pressions partielles d'oxygène sous lesquelles les réactions (1) et (2) ont lieu sont déterminées par les propriétés thermodynamiques de l'oxyde métallique respectif, en particulier par son enthalpie redox11,22. La limite inférieure pratique de la température d'oxydation est déterminée par la cinétique d'oxydation11,12,24 du matériau correspondant, car à des températures trop basses, la réaction se déroulerait trop lentement pour une application techniquement réalisable. De plus, la limite de température inférieure est définie par des considérations pratiques, telles que le temps nécessaire pour refroidir le matériau à ce niveau de température par rapport à une quantité accrue de cycles redox par unité de temps.

Cette caractéristique est exploitée en cyclant périodiquement l'oxydation et la réduction de la manière suivante :

Après oxydation, de la pérovskite dans l'atmosphère martienne à des températures plus basses, la pérovskite s'échauffe et libère une partie de son oxygène, selon l'équilibre \({\Delta }G\) (3). Il a ainsi atteint son état de réduction final.

Après réduction, la pérovskite est exposée à l'atmosphère martienne et se refroidit par conséquent. À des températures plus basses et à la pression partielle d'oxygène sur Mars, il absorbe l'oxygène dans sa structure à l'équilibre, jusqu'à ce qu'il ait atteint son état d'oxydation final.

A noter que le rendement en oxygène est déterminé par la différence ∆δ de la non stoechiométrie des pérovskites.

La tâche principale du système POP décrit dans cet article est d'exécuter ces processus redox pendant des milliers de cycles, comme le montre la visualisation du principe de fonctionnement du système POP sur la Fig. 1.

Visualisation du principe de fonctionnement du système POP. L'étape d'oxydation est réalisée dans un réacteur non étanche, ce qui conduit à un refroidissement de la pérovskite avec oxydation simultanée de celle-ci. Le réacteur est ensuite scellé, la température augmente en raison de la désintégration radioactive et de l'oxygène est libéré en conséquence.

Cependant, pour réaliser cela techniquement, le système complet (illustré à la Fig. 2) doit inclure les composants suivants25 :

Matériau composite : L'ABO3-RIC (composé radio-isotope) est disposé dans une structure de telle manière qu'un bon flux de gaz à travers le matériau est possible et que l'échange cinétique de gaz est maximisé.

Ventilateur : Le ventilateur à l'entrée de l'appareil fournit un débit suffisant d'atmosphère martienne à travers le matériau redox pour que l'oxygène résiduel de l'atmosphère oxyde le matériau redox.

Joint d'entrée et (4) joint de sortie : Ils permettent d'isoler de l'atmosphère de manière largement étanche la chambre de réaction remplie de matériau composite. Cela permet aux pérovskites de se réchauffer et de libérer de l'oxygène.

Dispositif thermoélectrique : L'énergie électrique nécessaire au fonctionnement des pompes et des compresseurs est générée à partir de la différence de température entre le flux d'échappement et l'atmosphère martienne. Si nécessaire, il peut également utiliser de la chaleur directement de la chambre du réacteur.

Dispositif de séparation du CO2 : Sépare le CO2 résiduel indésirable du mélange gazeux une fois la chambre du réacteur scellée.

Dispositif de liquéfaction : liquéfie l'oxygène (et certaines parties insignifiantes d'autres gaz comme l'azote et les gaz nobles) pour une densité plus élevée.

Réservoir de stockage : les réservoirs légers sans ébullition stockent l'oxygène.

Description plus détaillée de (6) : de nombreuses options de processus possibles pour séparer le CO2 de la phase gazeuse pourraient être envisagées, par exemple la séparation par membrane, la compression jusqu'à la liquéfaction du CO2 ou la compression et l'expansion ultérieure. Comme la deuxième option ne profite pas au dispositif suivant (7) et qu'elle serait, comme la troisième option, énergivore sans autres avantages, l'utilisation d'une membrane semble tout à fait appropriée. Sinon, une pompe pourrait aspirer l'atmosphère restante de la chambre de réaction (sans aucune compression) dans les premières secondes, car le chauffage prend un certain temps et la libération d'oxygène ne fonctionne pas complètement tout de suite.

Composants du système POP. Adapté de25.

Dans ce qui suit, les conditions aux limites de l'atmosphère martienne, pour le débit volumétrique et pour la sélection des matériaux sont présentées.

Sur la base de l'analyse des mesures du rover martien "Curiosity", il a été constaté que l'atmosphère martienne contient une teneur volumétrique en oxygène (\(\varphi_{{{\text{O}}_{2} }}\)) de 0,16 % à une pression de surface totale moyenne (\(p_{{\text{M}}}\)) dans le cratère Gale de 846 Pa, résultant en une pression partielle d'oxygène (\(p_{{{\text{O}} _{2} }} )\) de 1,36 Pa16,26. Pour des raisons non encore expliquées, la teneur en oxygène présente une importante variabilité interannuelle, avec une variation saisonnière de 13 % par rapport à la valeur moyenne26. De plus amples informations sur le rapport de mélange volumétrique moyen annuel de l'atmosphère martienne mesuré par "Curiosity" sont résumées dans le tableau 1, qui est corrigé et ajusté pour les conditions moyennes annuelles.

Il est important de noter que le site d'atterrissage du rover 'Curiosity' dans le cratère Gale se trouve à plus de 4000 m sous la référence topographique27. Cela a une implication significative pour la pression atmosphérique de surface et la densité, allant d'un minimum de 30 Pa sur Olympus Mons à plus de 1155 Pa sur Hellas Planitia (7152 m sous le datum topographique)28. L'altitude du site d'atterrissage doit donc être prise en compte, et Golombek et al.29,30 indiquent qu'une mission martienne pourrait en effet cibler des zones où l'altitude est d'environ 4000 m en dessous du référentiel topographique. Étant donné que la pression de surface change considérablement au cours d'une année martienne, elle doit être prise en compte dans toutes les conceptions finales16.

De plus, la mince atmosphère martienne ne peut stocker qu'une petite quantité de chaleur solaire, ce qui entraîne des différences de température atmosphérique quotidiennes relativement importantes au-dessus de la surface et des fluctuations saisonnières des températures moyennes quotidiennes. Pour cette raison, et parce que l'emplacement a un effet significatif sur l'angle d'incidence du soleil et donc sur l'irradiance solaire et la température de surface, les conditions moyennes de l'atmosphère martienne, résumées dans le tableau 2, sont utilisées pour simplifier les calculs, d'autant plus que le site d'atterrissage n'est pas défini jusqu'à présent.

Pour les travaux ultérieurs sur le système POP, des valeurs plus précises des températures atmosphériques sont nécessaires. Il est recommandé d'obtenir des données climatiques locales (à la fois temporelles et spatiales) après la sélection d'un site d'atterrissage, par exemple en utilisant le modèle Mars Climate Database32,33. Cet outil open-source permet de modéliser un large éventail de propriétés atmosphériques.

Les conditions moyennes de l'atmosphère martienne combinées à l'objectif de produire 2,25 kg d'oxygène par heure (\(\dot{m}_{{{\text{O}}_{2} }}\)) forment la frontière fixe conditions pour le débit volumétrique requis contenant de l'oxygène. Dans cette étude, deux ratios sont supposés. L'un représente un cas idéal (i) 80 % de l'oxygène est absorbé à partir du débit d'entrée (\(n_{{{\text{O}}_{2} ,{\text{abs}}}} = 0,8\) ) et un représente le pire des cas (ii) 20 % de l'oxygène est absorbé à partir du débit d'entrée (\(n_{{{\text{O}}_{2} ,{\text{abs}}}} = 0,2 \)). Cet article se concentre sur le cas idéal, c'est-à-dire qu'il suppose que la cinétique d'oxydation est suffisamment rapide pour atteindre un taux de consommation d'oxygène de 80 %. Les résultats détaillés utilisant la faible consommation d'oxygène, soit 20%, sont donnés dans les informations complémentaires. En raison du manque d'informations sur la cinétique des différents matériaux, ces valeurs sont une estimation incertaine.

Sous ces hypothèses et en utilisant la loi des gaz parfaits, le débit volumétrique moyen est donné par

où \(M_{{{\text{O}}_{2} }} :\) masse molaire d'oxygène, \(T_{{\text{M}}} :\) température martienne moyenne, \(n_{ {{\text{O}}_{2} ,{\text{abs}}}} :\) la fraction d'absorption d'oxygène est une condition limite ultérieure et peut être modifiée une fois le site d'atterrissage défini et la température concernée connue .

Comme le volume atmosphérique contenant l'oxygène requis ne peut être insufflé que pendant le pas de temps d'oxydation \(\left( {t_{{{\text{ox}}}} } \right)\), le débit volumétrique pendant l'oxydation ( \(\dot{V}_{{{\text{ox}}}} )\) peut être défini comme

où \(n_{{{\text{cycle}}}}\) fait référence au nombre de cycles par heure.

Dans chaque cycle redox, le rendement en oxygène est déterminé par la différence ∆δ de leur non stoechiométrie. Les courbes d'équilibre spécifiques au composé de chaque pérovskite sont les principaux critères d'adéquation dans un système POP. Ainsi, un quotient de différence élevé \(\Delta \delta\) (le "rendement") sur le changement de température (\(\Delta T\)) (le "prix") est préféré. Ici, la cinétique d'oxydation dépendante de la température définit la température d'oxydation. La figure 3 montre des courbes d'équilibre basées sur des données théoriques22,23 pour la pérovskite EuNiO3 à titre d'exemple.

Deux courbes d'équilibre non stœchiométriques de EuNiO3perovskite, points finaux des réactions de réduction et d'oxydation, température et valeurs delta non stœchiométriques.

Comme pour une première hypothèse la réduction s'effectue en chambre fermée, la pression partielle d'équilibre en oxygène est fixée à 100 Pa (0,001 bar). Cette pression de réduction est choisie selon Brendelberger et al.34 qui exploite l'efficacité optimale des pompes mécaniques et thermochimiques. Pour l'oxydation, la pression partielle d'oxygène martienne moyenne est utilisée. Les points (illustrés à la Fig. 3) mettent en évidence les conditions de fonctionnement finales possibles pour chaque étape entraînant une variation de température accompagnée d'un changement de non-stoechiométrie.

Bien que la stabilité thermique des pérovskites (ABO3) soit déterminée par les cations en position A et B , une autre exigence importante pour le matériau utilisé est la prévention de la formation de carbonates, qui entravent la réaction redox cyclique et réversible de l'oxyde métallique. . Étant donné que l'atmosphère martienne se compose en grande partie de dioxyde de carbone, les métaux qui forment des carbonates stables aux températures de fonctionnement correspondantes sont hors de question. Il s'agit essentiellement de pérovskites avec des métaux alcalino-terreux à l'une des positions du réseau : position A ou position B35. Les lanthanides, les actinides et les métaux de transition, en revanche, forment des carbonates, mais la plupart d'entre eux se décomposent à des températures relativement basses, de sorte qu'ils n'interfèrent pas avec la réaction redox36.

En résumé, le matériau redox pour la concentration d'oxygène doit répondre aux exigences suivantes :

Cinétique d'oxydation rapide.

\(\Delta \delta { }\) ≥ 0,1 pour un \(\Delta T\ donné).

Pas de formation de carbonates et d'oxalates stables.

Une chambre de réaction appropriée pour le système POP est nécessaire pour atteindre l'objectif principal de produire 2,25 kg d'oxygène par heure dans les conditions environnementales extrêmes sur Mars, car le système POP est destiné à fonctionner en toutes saisons et à tout moment sur Mars ; par conséquent, une première conception optimale est présentée dans cette section. Pour ce faire, une section transversale du réacteur \(\left( A \right)\) d'environ \(1,13\,{\text{ m}}^{2}\) est nécessaire pour une durée d'étape d'oxydo-réduction de 15 min et une vitesse d'écoulement maximale \((v_{0} )\) de \(55\) m/s à l'entrée du réacteur. Ces valeurs ont été calculées à l'aide des paramètres et des corrélations répertoriés dans le tableau 3.

Pour éviter une compression importante du flux, des turbulences et par conséquent une puissance de soufflage plus élevée, la vitesse du flux a été limitée à un nombre de Mach (M) de 0,25. Une valeur typique pour supposer un écoulement incompressible est de 0,3, mais les couches limites de la géométrie accéléreront certaines parties de l'écoulement.

En supposant que l'atmosphère martienne est composée à 100 % de CO2, l'équation de vitesse du son dérivée de la loi des gaz parfaits (8) a été utilisée, avec la température moyenne de Mars (\(T_{{\text{M}}}\)) appliquée. Bien que le flux ait des températures plus élevées en quittant la chambre du réacteur, cela ne fait qu'augmenter la vitesse du son et donc le nombre de Mach, c'est pourquoi \(T_{{\text{M}}} = 210 {\text{K}}\ ) est utilisé dans l'équation. (8).

Étant donné que la section transversale requise \(\left( A \right)\) calculée est relativement importante, elle doit être conciliée avec plusieurs autres facteurs, à savoir :

La chute de pression entre l'entrée et la sortie de l'appareil doit être aussi faible que possible, car elle détermine les performances du ventilateur.

La cinétique de contact entre le flux gazeux et la surface pérovskite doit être suffisante pour la cinétique d'absorption. Par conséquent, l'écoulement laminaire avec des couches limites épaisses doit être évité puisque l'échange d'impulsions et les vitesses d'écoulement latéral sont minimes.

La pérovskite doit être refroidie jusqu'à la température cible souhaitée \(T_{ox}\), qui détermine \(t_{{{\text{ox}}}}\). Dans toute la chambre de réaction, la température doit être presque homogène, car les points chauds conduisent à une stoechiométrie inférieure et les points froids à une cinétique plus lente.

Le réacteur et sa structure interne doivent maintenir leur intégrité structurelle : c'est-à-dire qu'ils doivent :

Être mécaniquement stable aux charges les plus élevées lors du lancement de la fusée (plusieurs g).

Résiste aux contraintes de dilatation thermique pendant des milliers de cycles.

Être résistant à l'abrasion dans une certaine mesure, car le volume soufflé contiendra très probablement des particules de poussière martienne qui pourraient devenir des projectiles d'impact à des vitesses d'écoulement élevées.

Tous les matériaux utilisés pour construire la structure doivent être chauffés par la chaleur de désintégration des radio-isotopes et doivent donc être minimisés.

La figure 4 montre une géométrie de plaques disposées parallèlement avec \(n_{{\text{p}}}\) plaques, largeur d'écart \((s_{{\text{p}}} )\), hauteur \((h \)) et de longueur \(\left( l \right)\) enfermé à l'intérieur d'une chambre de réacteur, avec un joint d'entrée et de sortie, qui doit permettre d'isoler la chambre de réaction remplie de matériau composite de l'atmosphère dans manière largement étanche au gaz.

Structure de la chambre du réacteur avec rideaux fins : deux tissus en fibre de carbone renfermant un granulé de composé perovskite-radioisotope ; plusieurs rideaux coulaient longitudinalement, et ; parois de la chambre en métal.

L'aire de la section transversale \(\left( A \right)\) à l'entrée par rapport aux variables de conception est donnée par

Ces variables de conception ont des dépendances contradictoires sur des aspects importants pour le processus d'optimisation du système POP, tels que la chute de pression, l'homogénéité de la température, la stabilité mécanique, etc., comme indiqué dans le tableau 4.

f indique qu'une "dépendance" existe, même si elle ne peut pas être quantifiée. Si une variable est verte, cela signifie que l'augmentation de sa valeur est bénéfique pour l'aspect correspondant du système POP, le rouge signifie le contraire.

Ainsi, par exemple, si l'on augmente la longueur \(l\) des plaques :

Augmente le temps de séjour d'une particule d'oxygène dans la géométrie de la plaque (ce qui profite à la possibilité d'absorption et donc à l'échange cinétique),

Augmente la perte de charge et donc la consommation électrique du surpresseur (préjudiciable),

Augmente la non-uniformité du profil de température à la fin de l'étape d'oxydation (une pointe plus froide et une extrémité des plaques plus chaude sont pénalisantes),

Augmente le poids total.

Le tableau 4 ne donne pas un aperçu complet de toutes les interdépendances des options de conception, mais montre qu'il n'y a pas d'optimisation simple pour les aspects concurrents et que, par conséquent, des travaux expérimentaux et de l'expérience sont nécessaires.

Les exigences mentionnées ci-dessus concernant la résistance à l'abrasion et la capacité à résister aux contraintes de dilatation thermique ne peuvent pas être réduites à une variable et sont donc discutées séparément.

Le RIC (par exemple PuO2) se mélange avec la pérovskite (par exemple EuNiO3). Étant donné que les coefficients de dilatation thermique sont susceptibles d'être très différents, toute structure céramique finira par s'effriter ou se casser. Même si l'égalisation des coefficients de dilatation thermique pouvait être assurée, des plaques céramiques rigides d'une épaisseur inférieure ou égale à \(1 \mathrm{mm}\) seraient fragiles et pleines de risques.

Par conséquent, un matériau structurel porteur est nécessaire pour accueillir le RIC et l'ABO3, permettre l'échange de gaz et être aussi léger que possible. Par conséquent, la conception structurelle représentée sur les Fig. 4 et 5 est considéré comme approprié à cette fin.

Coupe transversale du rideau.

Dans cette conception, les miettes ou la poudre ABO3 et RIC sont prises en sandwich entre deux structures en fibre de carbone.

Les matériaux céramiques peuvent être fournis sous forme de granulés et la pérovskite doit être sous une forme qui maximise la surface active pour assurer un échange gazeux cinétique rapide. Un type de mousse céramique avec une structure comme le charbon actif serait idéal.

Les fibres de carbone sont sélectionnées pour leur haute résistance spécifique à la masse et leur température de travail élevée. Lorsqu'elles sont recouvertes d'Al2O3, les fibres peuvent résister à des températures d'oxydation allant jusqu'à 800 °C37. Alternativement, les fibres céramiques telles que WHIPOX ™, composite d'oxyde hautement poreux enroulé, sont une céramique oxyde renforcée de fibres stable à haute température, un matériau isolant électriquement cassant qui peut fonctionner à des températures allant jusqu'à 1400 ° C et a une excellente résistance aux cycles thermiques38,39 . Idéalement, un motif en tissu retiendrait les miettes des deux composés à l'intérieur tout en garantissant une perméabilité maximale aux gaz. Si nécessaire, ces "rideaux" en tissu mince pourraient être soutenus et fixés, par exemple, par des tiges latérales.

Avec une telle structure fibreuse semblable à un tissu, il est important d'optimiser la granulométrie des deux composés qu'elle contient, car plus les miettes sont petites, meilleure est la conduction thermique, et plus les miettes sont grosses, plus le tissu peut devenir grossier. Un tel motif de tissu doit assurer une résistance adéquate contre le bombardement des particules de poussière. Néanmoins, il doit conserver sa perméabilité aux gaz et ne pas se boucher avec des particules de poussière même après de nombreux cycles.

Pour simplifier les calculs, les enceintes sont représentées par deux plaques pleines et on suppose qu'une épaisseur de \(d_{{{\text{cf}}}} = 1 {\text{mm}}\) est suffisante.

Une largeur d'espace de \(s_{{\text{p}}} = 3 {\text{cm}}\) est choisie car cela conduit à une chute de pression relativement faible par longueur et au moins une sorte de comportement turbulent. Un nombre de Reynolds de

correspond à un écoulement qui n'est plus purement laminaire (\(Re_{{{\text{channel}},{\text{lam}}}} \approx 2300\)), et pas encore totalement turbulent (\(Re_{ {{\text{channel}},{\text{turb}}}} \environ 10 000\)) et donc en transition40. Pour la densité \(\left( \rho \right)\) et la viscosité dynamique (\(\eta ),\) les valeurs de CO2 dans les conditions martiennes sont utilisées41.

Il convient de noter que la largeur de l'espace en particulier est un choix hautement arbitraire et ne doit pas être considérée comme profonde ou définitive. L'échange gazeux en largeur doit être validé expérimentalement. En particulier, cette largeur d'espace a un effet direct sur le taux d'absorption d'oxygène supposé de 80%, puisqu'une grande partie du flux de gaz passe sans contact direct avec le matériau pérovskite, ce qui entraîne une réduction significative du taux d'absorption d'oxygène par la pérovskite. matériel. Il en va de même pour la longueur et la hauteur de la géométrie de la chambre. La turbulence intentionnelle induite par les éléments perturbateurs d'écoulement pourrait également être une option si les expériences montrent que seul l'oxygène est absorbé par les couches limites. Une turbulence plus élevée entraîne une impulsion latérale et un échange de gaz plus élevés au prix d'une chute de pression plus élevée et pourrait augmenter l'absorption.

La puissance électrique nécessaire au fonctionnement du système POP est une combinaison des besoins électriques de plusieurs composants : soufflante électrique, séparation du CO2 (via l'unité de compression de pré-liquéfaction) et des unités de liquéfaction de l'O2.

Pour fournir le débit volumique d'oxygène nécessaire pendant l'oxydation (défini dans l'équation 5), un ventilateur électrique est nécessaire.

En utilisant l'éq. (5), la puissance électrique du ventilateur \({(P}_{ventilateur})\) et la puissance électrique constante moyenne du ventilateur (\({\overline{P} }_{\mathrm{ventilateur}} )\) peut être calculé à l'aide de l'équation. (12) et (13), en conséquence.

Ces valeurs sont déterminées par la perte de charge moyenne (∆p) de l'entrée à la sortie. Afin de déterminer une valeur ∆p appropriée, plusieurs chutes de pression sont simulées pour différentes variantes de conception (différentes largeurs de canal et longueurs de la chambre du réacteur illustrées à la Fig. 4) en effectuant des simulations CFD 2D approximatives avec ANSYS Fluent. Les résultats variaient de 25 à 100 Pa, suggérant que 50 Pa est une hypothèse raisonnable pour ∆p. Cependant, cette estimation doit être considérée comme préliminaire.

De plus, l'oxygène produit doit être séparé de l'atmosphère martienne résiduelle et liquéfié à la sortie pour être stocké. Johnson et al.42 ont publié une estimation détaillée des puissances et masses nécessaires pour un système de liquéfaction d'oxygène à utiliser sur la surface martienne. En supposant les besoins pour liquéfier 2,25 kg/h d'oxygène pur à 0 °C à 1 bar, les auteurs comparent différents systèmes en termes de consommation d'énergie, de masse, de coût et d'autres aspects. Ils supposent les conditions les plus défavorables dans l'atmosphère martienne, c'est-à-dire les températures de surface les plus élevées (qui empêchent le refroidissement), et concluent qu'en utilisant la meilleure option d'une architecture Tube-on-Tank (également connue sous le nom de « refroidissement étendu » ou « refroidissement distribué Réfrigération'), un appareil d'une masse de 68 kg et d'une consommation électrique de 2,87 kW serait envisageable.

Bien que cette demande de puissance soit importante, elle ne doit pas être surestimée par rapport à l'adéquation du système POP, car tout autre système ISRU pour la production d'oxygène sur Mars (y compris un MOXIE amélioré) fait face à la même nécessité de liquéfaction.

Pour le système POP, il est important d'abaisser la pression partielle d'oxygène pendant la réaction de réduction, car cela soutient et accélère la libération d'oxygène et améliore ainsi considérablement \(\Delta \delta\) [voir Eq. (3)] ​​entre les courbes d'équilibre non stœchiométriques de la pérovskite. Ainsi, les conditions finales de l'étape de réduction déterminent le \(\Delta \delta\) responsable du rendement en oxygène.

Dans le même temps, l'abaissement de la pression de libération de la réduction implique une consommation électrique plus élevée pour comprimer le gaz libéré à 1 bar pour une liquéfaction ultérieure. Il existe donc un équilibre entre la consommation d'énergie de la pompe et la libération d'oxygène de la pérovskite, la pression optimale évoluant en même temps que l'évolution de \(\delta\) en \(AB{\text{O}}_{3 - \ delta }\) ainsi qu'avec la température au cours de la réaction de réduction.

Pour une première estimation simplifiée, les hypothèses suivantes sont faites dans ce travail : La pression au début de l'étape de réduction est de 0,01 bar et décroît linéairement jusqu'à 0,001 bar en fin d'étape ; la consommation d'énergie est calculée comme devant pomper une pression constante de 0,005 bar. L'oxygène est refroidi à 0 °C avant et après compression par échange de chaleur avec l'air ambiant.

La puissance électrique requise est estimée pour la compression isentropique d'un gaz parfait dans les informations supplémentaires. Un rendement du compresseur de 60 % se traduit par une puissance de 841 W. Si la compression est divisée en deux étapes (0,005 à 0,07 à 1 bar) et refroidie à 0 °C entre les deux, la puissance peut être réduite à 566 W.

La puissance de compression est nécessaire lors de l'étape de réduction, mais est calculée en moyenne horaire comme l'estimation de puissance de liquéfaction de43. Ainsi, la consommation électrique moyenne nécessaire pour stocker l'oxygène libéré sous forme liquide est estimée à 3,57 kW, soit la somme de la puissance électrique moyenne pour la compression isentropique (0,7 kW) et de la puissance électrique de l'option Tube-on-Tank ( 2,87kW). Le tableau 5 donne un résumé des besoins en énergie pour le fonctionnement des divers composants du système POP.

Chaque oxydation peut être utilisée pour générer de l'énergie en utilisant la chaleur résiduelle. La puissance thermique totale calculée en moyenne sur le temps d'oxydation est :

Ainsi, \(\Delta Q_{{\text{m}}}\) est le changement de chaleur du matériau entre la température de réduction et d'oxydation, \(\Delta Q_{{\text{r}}}\) est la chaleur due à l'oxydation exothermique et \(\dot{Q}_{{{\text{th}}}}\) est la chaleur produite par la désintégration continue des radio-isotopes. La température à laquelle le gaz est libéré dans l'atmosphère martienne, c'est-à-dire la température finale du flux, est particulièrement importante pour la qualité exergétique de \(\dot{Q}_{{{\text{ox}}}}\). ou plutôt la différence de température correspondante. En supposant 100 % de CO2, la loi des gaz parfaits et donc le changement d'enthalpie indépendant de la pression et de la densité ainsi que l'indépendance de la température de la capacité calorifique \(c_{{{\text{p}},{\text{CO}}_{2} }}\), nous pouvons estimer cette différence moyenne à travers

où

Une efficacité

qui compare le flux de chaleur résiduelle du flux d'échappement avec la consommation électrique du ventilateur est introduit, car ces deux flux d'énergie se produisent simultanément.

En raison de la consommation d'énergie du processus de liquéfaction, un dispositif d'alimentation électrique supplémentaire est nécessaire.

Le système POP collecte l'oxygène en effectuant deux processus redox sur des milliers de cycles en forçant la convection à travers la surface de la structure de pérovskite interne partiellement réduite pour absorber l'oxygène dans le matériau, en le réduisant en chauffant le matériau avec RIC, en pompant le mélange d'oxygène libéré et une certaine atmosphère résiduelle (CO2), en la séparant, en liquéfiant l'oxygène de haute pureté et en le stockant dans des réservoirs appropriés sans évaporation. Par conséquent, l'identification des matériaux appropriés - les radio-isotopes (RI), le RIC correspondant, les pérovskites et éventuellement d'autres matériaux de structure - est essentielle à la performance du système POP. Les variables libres, c'est-à-dire la température et le temps d'oxydation et de réduction, sont optimisées et le meilleur cas est présenté ici. Les aspects critiques de la technologie ainsi que les faiblesses et les incertitudes sont mis en évidence, et des pistes d'investigation supplémentaires sont fournies.

Pour le procédé présenté, le matériau redox ainsi que le matériau chauffant doivent être sélectionnés. Dans ce qui suit, les critères et la sélection des deux matériaux sont discutés.

Dans la sélection des matériaux, trois critères de sélection majeurs sont présentés. Pour satisfaire la première exigence, la température minimale d'oxydation est fixée à 300 °C, car Bulfin et al.12 indiquent que la cinétique ralentit à des températures plus basses, ce qui signifie que l'oxydation se déroule trop lentement pour les applications techniques. Bien que Bulfin et al.12 aient étudié SrFeO3, nous prenons les résultats des travaux car aucune donnée expérimentale sur la cinétique ou la diffusion de l'oxygène n'est encore disponible pour de nombreuses pérovskites.

Pour évaluer le deuxième critère, les données d'équilibre théorique de Vieten et al.44 sont analysées (voir section sur la sélection des matériaux) en fonction de leur enthalpie. L'enthalpie influence l'affinité pour l'oxygène et donc également la température de réduction requise. Une pérovskite idéale est réduite à une température relativement basse, mais est toujours facilement réoxydée.

Des pérovskites prometteuses telles que EuCuO3, EuNiO3, LaAgO3, Sm0.5La0.5CoO3 et Sm0.5La0.5NiO3 sont utilisées pour l'étude. Les résultats des courbes d'équilibre pour les différentes pérovskites peuvent être trouvés dans la figure 1 des informations supplémentaires et dans la figure 3. Ces pérovskites sont examinées pour déterminer si elles forment des carbonates et des oxalates stables dans les conditions expérimentales. Nous définissons stables comme des compositions qui se forment aux températures d'oxydation ou inférieures et ne se décomposent pas tant que la température de réduction n'est pas atteinte. L'oxalate d'europium (Eu2(C2O4)3)45 et le carbonate de nickel (NiCO3)46, qui peuvent se former en tant que sous-produits lors du cycle redox de EuNiO3, sont instables selon cette définition. En sélectionnant une variation de température entre 300 et 500 °C, accompagnée d'une variation de pression partielle d'oxygène respective entre 1,36 Pa et 100 Pa (voir Fig. 3), le changement de non-stœchiométrie est \(\Delta \delta = 0,199\). Ainsi, EuNiO3 remplit le deuxième critère et est sélectionné comme matériau redox pour l'étude suivante.

Les radio-isotopes sont considérés comme la source de chaleur, car ils ont été fréquemment utilisés dans les missions spatiales pour la production d'électricité (RTG). Pour éviter des exigences de blindage déraisonnables, un libre parcours moyen court du rayonnement est nécessaire. Les particules α et β ont un libre parcours moyen court, contrairement aux émissions γ et neutron (n). De plus, les neutrons libres peuvent activer les isotopes stables pour qu'ils deviennent radioactifs. Par conséquent, les radio-isotopes avec des désintégrations α ou β sont préférés. Sur cette base, des candidats potentiels sont identifiés et discutés.

Le 238Pu est utilisé dans les missions spatiales depuis des décennies40. Il montre 100% de désintégration α et avantageusement de faibles émissions n et γ. Les neutrons sont libérés en raison des réactions (α, n) et de la fission spontanée du 238Pu. La principale source de rayonnement γ est la désintégration α. Les réactions accompagnées n'ont qu'une contribution mineure au rayonnement γ total40. Le blindage et l'analyse de la radioprotection sont discutés plus en détail dans la réf.47. Le 238Pu n'étant pas un sous-produit des centrales nucléaires, il présente l'inconvénient d'une disponibilité limitée. La production annuelle possible aux États-Unis est estimée à environ 1,5–5 kg48. Les approvisionnements des dernières décennies ont été en grande partie dépensés48. Par conséquent, et en raison de la disponibilité limitée du 238Pu et de son utilisation courante dans les applications spatiales, diverses parties intéressées se disputent cet isotope48. Semblable à son utilisation dans les générateurs thermoélectriques à radio-isotopes (RTG), le 238Pu serait intégré dans le PuO2 pour l'application dans le système POP présenté. Il a la demi-vie la plus longue des isotopes présentés (voir tableau 6), ce qui d'une part diminue la chaleur de désintégration, mais le rend plus adapté aux applications à long terme.

Le 90Sr est également utilisé dans les RTG. Les modes de sa chaîne de désintégration (90Sr → 90Y → 90Z) émettent 100% β-. En raison du ralentissement des particules β dans le matériau redox, un bremsstrahlung est émis. Le blindage de ce rayonnement nocif est décrit en réf.49 et réf.50. L'un des avantages du matériau est qu'il est contenu dans les déchets nucléaires. Par conséquent, la production de plus grandes quantités est raisonnable. Cependant, la proportion de 90Sr actif est un inconvénient, car le strontium, produit de fission, ne contient que 55 at.% de 90Sr, ce qui réduit sa densité de puissance50. Le 90Sr serait intégré dans le SrCO3, puisque ce carbonate se forme de toute façon au cours du processus dans l'atmosphère martienne riche en CO2.

Le 244Cm a la densité de puissance massique la plus élevée des trois isotopes (voir tableau 6) et est un émetteur α à 100 %. En raison de sa stabilité thermique, de son point de fusion et de sa productibilité, il est utilisé comme Cm2O351. L'émission de neutrons du 244Cm2O3 est 45 fois supérieure à celle du 238PuO2. Par conséquent, une plus grande quantité de blindage est nécessaire, ce qui entraîne un poids accru52. Cm est un déchet des centrales nucléaires. La demi-vie différente des isotopes Cm conduit à une fraction pondérale améliorée (% en poids) de 244Cm. Après 5 ans, la proportion passe de 80,3 % en poids à 91,75 % en poids51.

La chaleur de décroissance massique \(\dot{q}\) des trois matériaux chauffants mentionnés est calculée à l'aide de l'énergie moyenne par décroissance \((\overline{Q}_{{{\text{decay}}}}\) ) et la demi-vie (\(t_{{{\raise0.7ex\hbox{$1$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {1 2}}\right.\kern-0pt} \!\ inférieur0.7ex\hbox{$2$}}}}\)) de53 :

et

Pour le 90Sr, les énergies moyennes par désintégration du 90Sr et du 90Y sont ajoutées. Tous les calculs supposent que les isotopes sont purs. Les résultats pour les isotopes ainsi que les composés sont présentés dans le tableau 6.

Comme tous les matériaux présentés présentent des avantages et des inconvénients, les trois isotopes ont été utilisés dans le code pour trouver les masses et les valeurs optimisées pour un système POP. Le cas du 90Sr actif à 100 % dans le carbonate et celui avec 60 % de 90Sr ont été calculés. Les cas pour le 244Cm actif à 100 % \({}_{ }^{238} {\text{Pu}}\) dans le PuO2 et le 244Cm actif à 95 % dans le Cm2O3 ont été calculés.

Pour assurer le rendement en oxygène demandé, la masse de pérovskite requise (\(m_{{{\text{ABO}}_{3} }}\)) est

et la puissance thermique requise (\(\dot{Q}_{{{\text{th}}}}\)) pour chauffer le matériau redox de la température d'oxydation à la température de réduction pendant le temps de réduction \(t_{{ {\text{red}}}}\) est calculé à partir de

où \(\Delta Q_{{\text{m}}}\) est l'énergie (par cycle) nécessaire pour chauffer la pérovskite, le composé radio-isotopique et le matériau de support structurel (fibres de carbone) et \(\ Delta Q_{{\text{r}}}\) est la chaleur de réaction (par cycle) pour la réduction endothermique de la pérovskite. Pour calculer la chaleur de réaction, l'enthalpie redox spécifique à la pérovskite par mole d'oxygène \(\Delta H_{{{\text{O}},{\text{ABO}}_{3} }}\) est utilisée. Cela détermine à son tour la quantité nécessaire de RIC selon l'équation. (23).

Les équations et concepts présentés aboutissent à un problème d'optimisation énergétique. Par souci de clarté, les variables d'entrée et leurs caractéristiques sont présentées dans le tableau 7 et les variables résultantes dans le tableau 8.

Les valeurs suivantes ont été définies : \(d_{{{\text{cf}}}} = 1 {\text{mm}}\), \(s_{{\text{p}}} = 3 {\text{ cm}}\), \(\vartheta_{0} = 0,25 c_{{{\text{CO}}_{2} }}\) et \(l = 1 {\text{m}}\). Les trois premières valeurs ont été expliquées dans les sections précédentes tandis que la dernière est un choix non fondé. Sans études expérimentales, il n'est pas possible de valider l'hypothèse selon laquelle une longueur de 1 m est suffisante pour le processus d'absorption d'oxygène. Ainsi, cette valeur doit être considérée comme préliminaire et doit être davantage étayée dans des études futures.

A titre d'exemple, les résultats des combinaisons de EuNiO3-Cm2O3 (95% 244Cm) et EuNiO3-SrCO3 (60% 90Sr) sont présentés ci-dessous dans les Fig. 6 et 7, respectivement. En faisant varier la température supérieure et inférieure, il a été constaté que l'oscillation de température la plus favorable était comprise entre 300 et 500 °C pour le premier matériau et entre 300 et 425 °C pour le second. Après avoir sélectionné la température, les temps sont variés et l'axe de variation du temps d'oxydation (\(t_{{{\text{ox}}}}\)) projeté dans le plan 2D a donné des groupes de points verticaux de temps de réduction égal (\( t_{{{\text{rouge}}}}\)). Notez que les meilleures valeurs en termes de \(m_{{{\text{RI}}}}\) (et donc \(\dot{Q}_{{{\text{th}}}}\)) sont en conflit avec les valeurs tout aussi importantes de \(m_{{{\text{total}}}}\) et \(A\) \(\left( {A \sim \dot{V}_{{{\text {ox}}}} \sim P_{{{\text{coup}}}} } \right)\). Les cas marqués (cercles rouges dans les diagrammes) sont sélectionnés comme des cas raisonnablement équilibrés. Les tableaux 9 et 10 montrent les calculs pour les cas choisis des deux matériaux. De plus, le tableau 11 montre une comparaison des différents isotopes par rapport aux paramètres calculés les plus importants. Les données complètes correspondantes sont données dans les informations complémentaires. En comparant les différentes options, Cm2O3 a la masse totale la plus faible. Comme déjà discuté, le Cm2O3 émet un nombre important de neutrons, ce qui nécessite un blindage supplémentaire. Cela pourrait contrecarrer l'avantage de poids initial. SrCO3 a la deuxième masse totale la plus faible et l'énergie thermique la plus élevée. Néanmoins, il faut noter que pour l'utilisation du Sr issu des déchets nucléaires, un enrichissement doit intervenir pour obtenir 100% de 90Sr.

EuNiO3-Cm2O3 (95% 244Cm) résultats du calcul pour (a) la masse isotopique \(m_{{{\text{RI}}}}\), (b) la masse totale du rideau \(m_{{{\text{total} }}}\), (couleur) section transversale de la chambre du réacteur \(A\) sur \(t_{{{\text{ox}}}}\) (axe projeté) et \(t_{{{\text {rouge}}}}\) variation (axe des abscisses) ; \(T_{ox} = 300 ^\circ {\text{C}}\) , \(T_{red} = 500 ^\circ {\text{C}}\);

Résultats du calcul EuNiO3-SrCO3 (60 % 90Sr) pour (a) la masse isotopique \(m_{{{\text{RI}}}}\), (b) la masse totale du rideau \(m_{{{\text{total} }}}\), (couleur) section transversale de la chambre du réacteur \(A\) sur \(t_{{{\text{ox}}}}\) (axe projeté) et \(t_{{{\text {rouge}}}}\) variation (axe des abscisses) ; \(T_{{{\text{ox}}}} = 300\;^\circ {\text{C}}\) , \(T_{{{\text{rouge}}}} = 425\;^ \circ {\text{C}}\);

Le comportement thermique transitoire de la géométrie du réacteur n'a pas encore été pris en compte.

Il est bien évident qu'il est nécessaire d'isoler la chambre du réacteur contre l'ambiance martienne afin qu'il y ait un minimum de flux de chaleur perdue à travers les parois et les joints.

De plus, les « rideaux » à l'intérieur de la chambre ne seront pas refroidis uniformément car les couches limites d'écoulement se réchauffent vers l'extrémité/la sortie de la chambre. Comme mentionné précédemment, cela est défavorable et doit être évité si possible. Heureusement, nous pouvons résoudre ce problème en rendant la couche composite à l'intérieur des rideaux (c'est-à-dire \(d_{{{\text{composite}}}}\)) plus épaisse vers l'entrée. Épaissir la couche uniquement tout en maintenant le rapport de mélange ABO3-RIC moins qu'une uniformité parfaite, car l'épaisseur constante (et donc la capacité thermique) du tissu en fibre de carbone interférerait avec la continuité. Cependant, si ce rapport est ajusté simultanément, nous pouvons effectivement garantir l'uniformité à la fin des deux étapes, même si pour cela \(l\) ne doit pas être déraisonnablement long. Des simulations détaillées sont nécessaires pour savoir comment procéder. Côté fabrication, il est possible d'ajouter les miettes des deux composés en conséquence et de les coudre dans les rideaux.

Une autre restriction apparaît dans l'optimisation du système POP du fait que le temps d'oxydation (\(t_{{{\text{ox}}}}\)) n'est pas vraiment une variable libre. \(t_{{{\text{ox}}}}\) détermine la température de fin d'oxydation \((T_{{{\text{ox}}}} )\) et doit donc être choisi en conséquence. Les premières simulations CFD indiquent que l'hypothèse de temps d'oxydation d'environ 10 à 15 min est justifiable, d'où le calcul effectué ci-dessus.

À ce stade, il convient de mentionner qu'une solution en vol doit également être trouvée. Les rideaux sont assez fins et comme la production de chaleur du RIC est assez intense, le matériau devient trop chaud ou peut même fondre si aucune convection forcée ne le refroidit. Une possibilité serait d'installer un système de refroidissement thermo-huile qui dissipe la chaleur de désintégration vers un radiateur, qui rayonne ensuite la chaleur dans l'espace. Pour ce faire, les rideaux doivent être rapprochés (ce qui signifie réduire la largeur de l'interstice), car tout le volume du réacteur (\(A \cdot l\)) ne peut pas être rempli d'huile thermique. Ceci doit être accompli par un mécanisme électromécanique.

L'atmosphère martienne contient des quantités considérables de poussière et les tempêtes de poussière sont très fréquentes. Par conséquent, la poussière ne doit pas pénétrer dans le système POP, en particulier dans la chambre du réacteur, et des mesures de protection, par exemple contre le colmatage et les dommages mécaniques, doivent être prévues ; un filtre peut ne pas être possible en raison du débit volumique important et de la chute de pression potentiellement importante dans le système POP. Cependant, la conception de « rideau » proposée devrait offrir une résistance suffisante au bombardement par des particules de poussière, bien qu'un colmatage par des particules de poussière puisse se produire après de nombreux cycles. Une option susceptible d'entraîner une chute de pression acceptable est l'utilisation d'un entonnoir à poussière/séparateur vortex, où les particules de poussière sont propulsées contre la paroi extérieure et descendent en spirale à travers la sortie en forme d'entonnoir par gravité.

Aperçu du poids et des performances thermiques du système POP par rapport au système MOXIE.

Les poids des différents composants qui composent le système POP, hors blindage, et la puissance calorifique primaire sont résumés dans le tableau 12. Ces valeurs sont étudiées pour les deux scénarios : (i) élevé (\(n_{{{\text{ O}}_{{2,{\text{abs}}}}} = 0,8)\) et (ii) faible (\(n_{{{\text{O}}_{{2,{\text {abs}}}} }} = 0,2)\) absorption d'oxygène du matériau pérovskite. Le poids des "rideaux" (illustrés sur les figures 4 et 5) est calculé en tenant compte du poids des tissus en fibres de carbone et des granulés enfermés de composés radio-isotopes de pérovskite. Ces valeurs sont des estimations et doivent être utilisées avec prudence.

Il est important de noter que le pourcentage réel d'absorption d'oxygène dépend d'un certain nombre de facteurs, notamment la cinétique d'oxydation spécifique au matériau, la structure du système POP et les conditions de fonctionnement, qui doivent être optimisées dans une étude expérimentale. Cependant, il ressort clairement de la littérature que l'absorption d'oxygène dans les pérovskites est améliorée lorsqu'une teneur en oxygène inférieure est présente dans le flux gazeux54. Par conséquent, avec des conditions de fonctionnement optimisées, une forte consommation d'oxygène est plus probable.

Une option, si la chaleur excédentaire de la chambre de réaction est suffisante, est un réacteur à fission KRUSTY de 5 kWe, qui permet même la distribution de puissance à la demande de flux de liquéfaction et une solution de stockage à court terme.

Une puissance supplémentaire pourrait être générée en remplaçant partiellement l'isolation de la chambre du réacteur par, par exemple, des modules thermoélectriques et en ajustant la quantité et la distribution du RIC à l'intérieur, ce qui donnerait un RTG de la chambre du réacteur. D'autres options pour la production d'électricité sont un générateur RTG/Advanced Stirling Radioisotope (ASRG) externe dédié et des solutions solaires. Le poids de l'option ISRU d'électrolyse du CO2 est significativement plus élevé en comparaison en raison de la forte demande d'énergie thermique pour produire environ 3 kg d'O2 par heure56 en fonctionnement, comme illustré dans le tableau 13.

Il est démontré que la concentration d'oxygène par des processus thermochimiques dans l'atmosphère extraterrestre est réalisable, et une conception appropriée du meilleur cas pour un appareil compact et les considérations correspondantes sont étudiées. Pour les matières radioactives du système POP, le 244Cm s'avère être la meilleure option du point de vue de la densité d'énergie gravimétrique. Cependant, il est peu probable qu'il soit utilisé en raison des exigences élevées en matière de blindage52. En revanche, l'approvisionnement de 40 kg de 238Pu est impossible en raison des pénuries d'approvisionnement actuelles. Par conséquent, le 90Sr est l'option la plus raisonnable, mais s'il n'est pas possible de purifier la teneur en strontium des déchets nucléaires (sous forme de 90Sr), le système POP perd une grande partie de son adéquation par rapport à la fission nucléaire. Néanmoins, il reste la possibilité de fournir la chaleur nécessaire via une source externe, par exemple un réacteur à fission et un fluide caloporteur (par exemple un sel de nitrate). Dans cette approche, l'énergie thermique primaire est directement utilisée et aucune conversion supplémentaire en électricité n'est nécessaire. Par conséquent, une efficacité énergétique plus élevée et une réduction du gaspillage total de chaleur par rapport à l'approche MOXIE sont attendues. Cependant, un défi particulier avec cette approche alternative est que le fluide caloporteur peut s'écouler à travers la géométrie pérovskite de la chambre du réacteur sans l'alourdir beaucoup, car une telle augmentation de taille nécessiterait plus de chaleur. La protection contre les rayonnements doit encore être étudiée plus en détail, car elle est susceptible d'avoir un impact significatif sur le poids total. Bien qu'il existe encore quelques incertitudes, des gains de poids significatifs semblent possibles par rapport aux autres systèmes ISRU, même en tenant compte des conditions les plus défavorables et du poids maximum requis pour obtenir 2,25 kg d'oxygène par heure. Dans une mission vers Mars, comme dans les vols spatiaux en général, la charge utile a un impact majeur sur le coût de la mission. Même une quantité relativement faible de recherches supplémentaires devrait être en mesure de répondre à la question de savoir si un système POP est effectivement viable dans tous ses aspects. Compte tenu du coût général d'une mission extraterrestre et des économies potentielles dans le cas d'un système POP bien conçu et fonctionnel, de tels efforts sont un très petit prix à payer pour un gain potentiellement très important.

De plus, ce travail a révélé que divers aspects du système POP sont complexes et interconnectés et nécessitent donc des recherches théoriques et expérimentales plus approfondies. En outre, certaines faiblesses et incertitudes doivent être prises en compte dans les travaux futurs : (i) les données d'équilibre non stoechiométriques pour les pérovskites (y compris EuNiO3) ont été calculées théoriquement à l'aide d'estimations, de sorte qu'une validation expérimentale est toujours nécessaire ; (ii) Il sera étudié au moyen d'un diagramme de phase et d'une validation expérimentale qu'aucune réaction ne se produit entre le matériau redox et le RIC ; (iii) Une simulation thermique transitoire de la distribution de la chaleur pendant le fonctionnement et le vol est nécessaire pour les « rideaux » en fibre de carbone de type tissu proposés, et donc les résultats expérimentaux ou un calcul (thermo-)mécanique détaillé de la conception réelle des « rideaux » doivent assurer la stabilité du motif en tissu, car la chute de pression estimée est basée sur une simulation CFD simplifiée et les valeurs ne sont donc pas justifiées ; (iv) La cinétique des échanges gazeux de la pérovskite, c'est-à-dire l'absorption d'oxygène des rideaux à partir de l'écoulement et leur libération d'oxygène lors de la réduction, doit être étudiée expérimentalement ; (v) Évaluation et validation des solutions de protection adéquates proposées et/ou alternatives contre la poussière de Mars de différentes tailles de particules, car un filtre peut ne pas convenir en raison du débit volumique important et de la chute de pression potentiellement importante.

Des analyses expérimentales pour des géométries de réacteur spécifiques (y compris la largeur de l'espace des "rideaux", la longueur de la chambre du réacteur, la vitesse de chauffage, le flux de turbulence, etc.) et la stabilité de conception du système POP doivent être effectuées, ainsi qu'une analyse détaillée de la radioprotection et les exigences de blindage et le poids réel du blindage requis. De plus, l'effet de la carbonisation pendant l'oxydation sur les performances du système POP doit être étudié, et l'utilisation de la chaleur perdue et les sources de chaleur alternatives telles que le réacteur à fission doivent être évaluées et la nouvelle géométrie de la chambre du réacteur doit être réexaminée pour permettre les modifications.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Lena Class et Christian Sattler

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AE : méthodologie, supervision, visualisation, rédaction - brouillon original, rédaction - révision et édition ; LK : méthodologie, visualisation, rédaction - brouillon original, rédaction - révision et édition ; LK : investigation, méthodologie, visualisation, écriture - ébauche originale, écriture - révision et édition ; JV : conceptualisation, méthodologie, supervision, ressources, rédaction - révision et édition ; MR : acquisition de financement, ressources, encadrement ; CS : moyens, encadrement.

Correspondance à Asma Eltayeb ou Lena Klass.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Eltayeb, A., Klaas, L., Kölz, L. et al. Procédé thermochimique et appareil compact de concentration d'oxygène dans des atmosphères extraterrestres : une étude de faisabilité. Sci Rep 13, 5148 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31120-x

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Reçu : 08 juin 2022

Accepté : 07 mars 2023

Publié: 29 mars 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-31120-x

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