NASA MOXIE项目负责人Donald Rapp团队：利用火星ISRU系统改变火星环境 | SPACE导读

       载人火星探测任务需要使用强大的运载火箭从火星表面上升起飞，并与在火星轨道上等待的地球返回器交会对接。对于6人乘组而言，目前预估在火星上升段所需液氧推进剂约为30吨。因此，如果能利用火星CO₂转化为上升段所需的推进剂和为生命维持系统生产O₂，而非直接从地球携带O₂到火星，将具有很多益处。而火星制氧这一过程即是通过原位资源利用（in situ resource utilization, ISRU）完成的。在火星上将火星CO₂转化为O₂的电解系统原样机已经被“毅力号”火星着陆器上携带的火星氧气ISRU实验（MOXIE）成功演示，现在的研究内容是如何将这个原样机扩展为全尺寸验证系统。在Space: Science & Technology（《空间科学与技术（英文）》）新发表的文章中，Donald Rapp和Eric Hinterman两位专家分析研究了全尺寸火星ISRU系统的性能。该系统随着火星环境的昼夜和季节变化运行，历时共计14个月，最终制氧产量可达30吨。

一图读懂全文

       首先，作者介绍了ISRU系统的结构组成和工作原理。如Fig. 1所示，ISRU系统的核心是一个（或一组）电解电池堆，从阳极产生O₂气流，在阴极产生包含CO、CO₂和惰性气体的混合废气。系统工作时，压缩机首先将火星大气吸入系统，并将其从火星压力压缩至电池堆压力；热交换器将废气中的部分热量回收至吸入的火星气体中，这些火星气体在进入电池堆之前被预热到堆温度；在堆中完成电解反应后，堆中排出的废气被输送到热交换器中，预热进入的火星气体，并从阴极排出废气，阳极排气被送入液化器。此外，电压也至关重要，电池组的电解槽两端电压必须大于制氧反应所需的电压（0.96 V），且同时小于会沉淀碳副反应所需的电压（1.13 V）。在14个月（420 sol）的运行中，系统需要以3.0 kg/h的平均产氧速率制氧总计30240 kg，其控制方案有多种选项（见Tab. 1）：控制选项1中，电池堆和液化器以3.0 kg/h的恒定流速运行，而压缩机的每分钟转数（RPM）被控制为随火星大气密度降低而提高，反之亦然；控制选项2a中，RPM始终保持3325，压缩机大小与选项1相同，但电池堆中电池数量减少；控制选项2b中，RPM始终保持3325，电池数与控制选项1相同，但压缩机尺寸减小；控制选项2c中，电池数和压缩机尺寸与控制选项1相同，但RPM始终保持2705。

Fig. 1 Major Subsystems for Oxygen Production.

Tab. 1 Characteristics of Run Control Options.

       然后，作者计算了不同控制选项中的电池固有面比电阻（intrinsic area-specific cell resistance, iASR）、电流密度（J）和流速等。计算中，使用基本关系式V_op =<VNO>+V_other + (iASR)(J)，其中V_op是施加在电池上的平均工作电压，<VNO>是整个电池中产生氧气的能势，V_other是用来平衡方程的电压。此外，阳极压力=阴极压力= 0.2 bar，利用率=0.6，且iASR假设开始时为1.00 ohm-cm²、运行420 sols后增加至1.20 ohm-cm²。在控制选项1中，产生3 kg/h氧气所需电池面积为A_T = 83750 cm²，若每块电池面积为100 cm²，则需要840块电池。电池工作电压跨度为：Max V_op = 1.060、Avg. V_op = 1.048及Min V_op = 1.036；RPM最大值为3325，平均值为2706，最小值为2251。控制选项2a中，Max V_op = 1.114、Avg. V_op = 1.078及Min V_op = 1.037，其最大电池电压危险地接近形成碳的能思特电压，考虑到iASR不确定性，这种选择不可接受。控制选项2b中，Max V_op = 1.077、Avg. V_op = 1.048及Min V_op = 1.014。控制选项2c中，Max V_op = 1.077、Avg. V_op = 1.048及Min V_op = 1.014，与控制选项2b基本是一样的。Tab. 2汇总了各种选项的计算结果。

Fig. 3 Allowable range of average cell voltage for anode pressure = cathode pressure =0.2 bar and 60% utilization of incoming CO₂.

Fig. 4 Nernst  potentials  near  the  cathode  exit  in  control  option  1. 

Tab. 2 Comparison of Control Option.

       最后，作者讨论了系统电功率并进行了总结。针对固体氧化物电解（SOXE）系统，其电化学功率在控制选项1和控制选项2下分别为14.6 kW和4.87*FO₂ kW；预热功率约为~0.5 kW；热损失功率约为0.35 kW（尽管它与大气条件有关）。不同控制选项下的SOXE总功率均为电化学功率、预热功率和热损失功率的总和，系统在不同控制选项下运行所产生的结果总结于Tab. 3。针对压缩机，其绝热效率为关于其部件无效率的函数，包括电机损耗、密封摩擦和轴承摩擦，不同控制选项中压缩机功率要求总结于Tab. 4。制冷机对系统的散热速率根据气态氧温度降低到沸点并液化所需的冷却量计算，其结果如Tab. 5所示。综上，包括所有子系统功率在内的系统总功率如Tab. 6所示。

Tab. 3 Power for SOXE in Various Contro Options (in Kilowatts).

Tab. 4 Power for Compression in Various Control Options (in Kilowatts).

Tab. 5 Power for Liquefaction in Various Control Options (in Kilowatts).

Tab. 6 Total Power in Various Control Options (in Kilowatts).