Войти
ISRU Испытательный стенд обратного сдвига водяного газа (НАСА KSC) В освоении космоса, использование ресурсов на месте (ISRU ) - это практика сбора, обработки, хранения и использования найденных или изготовленных материалов. на других астрономических объектах (Луна, Марс, астероиды и т. д.), которые заменяют материалы, которые в противном случае были бы доставлены с Земли.
ISRU может предоставить материалы для жизнеобеспечения, топливо, строительные материалы и энергия для космического корабля полезной нагрузки или космических экипажей. В настоящее время для космических кораблей и роботов на поверхности планеты очень часто используется солнечное излучение, обнаруженное на месте в виде солнечных панелей. Использование ISRU для производства материалов еще не было реализовано в космических полетах, хотя несколько полевых испытаний в конце 2000-х продемонстрировали различные лунные методы ISRU в соответствующих условиях.
ISRU долгое время рассматривался как возможный путь. для уменьшения массы и стоимости архитектур для освоения космоса, поскольку это может быть способом радикального уменьшения количества полезной нагрузки, которая должна быть запущена с Земли для исследования данного планетарного тела. Согласно НАСА, «использование ресурсов на месте позволит организовать доступное внеземное исследование и операции за счет минимизации материалов, переносимых с Земли».
В контексте ISRU вода чаще всего используется непосредственно в качестве топлива или сырья для производства топлива. Применения включают его использование для жизнеобеспечения либо непосредственно путем питья, выращивания продуктов питания, производства кислорода или во многих других промышленных процессах. Все это требует наличия воды в окружающей среде и оборудования для ее извлечения. Такая внеземная вода была обнаружена в различных формах по всей Солнечной системе, и был исследован ряд потенциальных технологий извлечения воды. Для воды, которая химически связана с реголитом, твердым льдом или каким-либо видом вечной мерзлоты, достаточное нагревание может восстановить воду. Однако это не так просто, как кажется, потому что лед и вечная мерзлота часто могут быть тяжелее, чем простая порода, что требует трудоемких горных работ. Там, где есть некоторый уровень атмосферы, например, на Марсе, воду можно извлечь прямо из воздуха с помощью простого процесса, такого как WAVAR. Другой возможный источник воды - это глубокие водоносные горизонты, поддерживаемые скрытым геологическим теплом Марса, которое может быть использовано для производства воды и геотермальной энергии.
Производство ракетного топлива было предложено Поверхность Луны обработкой водяного льда обнаружена на полюсах. Вероятные трудности включают работу при крайне низких температурах и извлечение из реголита. Большинство схем проводят электролиз воды с получением водорода и кислорода и криогенно хранят их в виде жидкостей. Для этого требуется большое количество оборудования и мощности. В качестве альтернативы можно было бы нагревать воду в ядерной или солнечной тепловой ракете, которая может доставлять большую массу с Луны на низкую околоземную орбиту (НОО), несмотря на удельного импульса для данного количества оборудования.
монотопливо перекись водорода (H2O2) может быть получено из воды на Марс и Луна.
Алюминий, а также другие металлы были предложены для использования в качестве ракетного топлива, созданного с использованием лунных ресурсов, и предложения включают реакцию алюминия с водой.
Для Марса метановое топливо может быть произведено с помощью процесса Sabatier. SpaceX предложила построить на Марсе топливную установку, которая будет использовать этот процесс для производства метана (CH. 4 ) и жидкого кислорода (O 2) из подземного водяного льда. и атмосферный CO. 2.
Давно предполагалось, что солнечные элементы могут быть произведены из материалов, присутствующих в лунном грунте. Кремний, алюминий и стекло, три основных материала, необходимых для производства солнечных элементов, находятся в высоких концентрациях в лунном грунте и могут быть использованы для производства солнечных элементов. Фактически, естественный вакуум на лунной поверхности обеспечивает отличную среду для прямого вакуумного осаждения тонкопленочных материалов для солнечных элементов.
Солнечные батареи, созданные на лунной поверхности, могут также использоваться для поддержки операций на лунной поверхности. как спутники от поверхности Луны. Солнечные батареи, произведенные на поверхности Луны, могут оказаться более рентабельными, чем солнечные батареи, произведенные и доставленные с Земли, но эта торговля в значительной степени зависит от местоположения конкретного рассматриваемого приложения.
Еще одно возможное применение солнечных батарей, полученных из Луны. массивы обеспечивают питание Земли. В своей первоначальной форме, известной как спутник солнечной энергии, это предложение было задумано как альтернативный источник энергии для Земли. Солнечные элементы будут отправлены на околоземную орбиту и собраны, а энергия будет передаваться на Землю через микроволновые лучи. Несмотря на огромную работу по оценке стоимости такого предприятия, неопределенность заключалась в стоимости и сложности процедур изготовления на поверхности Луны.
Колонизация планет или лун потребует получения местных строительных материалов, таких как реголит. Например, исследования с использованием искусственного грунта Марса, смешанного с эпоксидной смолой и тетраэтоксисиланом, дают достаточно высокие значения параметров прочности, сопротивления и гибкости.
Добыча на астероидах также может включают извлечение металлов для изготовления строительных материалов в космосе, что может быть более рентабельным, чем перенос такого материала из глубокого гравитационного колодца Земли или любого другого крупного тела, такого как Луна или Марс. Металлические астероиды содержат огромное количество сидерофильных металлов, в том числе драгоценных металлов.
Исследования ISRU для Марса сосредоточены в первую очередь на обеспечении ракетное топливо для обратного путешествия на Землю - либо для миссии с экипажем, либо для миссии по возврату образцов - либо для использования в качестве топлива на Марсе. Многие из предложенных методов используют хорошо охарактеризованную атмосферу Марса в качестве сырья. Поскольку это можно легко смоделировать на Земле, эти предложения относительно просты в реализации, хотя нет никакой уверенности в том, что НАСА или ЕКА предпочтут этот подход перед более традиционным прямым полетом.
Типичное предложение для ISRU - это использование реакции Сабатье, CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 О, чтобы производить метан на поверхности Марса, который будет использоваться в качестве топлива. Кислород выделяется из воды путем электролиза, а водород возвращается обратно в реакцию Сабатье. Полезность этой реакции заключается в том, что - по состоянию на 2008 год, когда наличие воды на Марсе было менее научно доказано - считалось, что с Земли нужно доставить только водород (который является легким).
2018, SpaceX разрабатывает технологию для топливной установки Mars, в которой будет использоваться вариант того, что описано в предыдущем абзаце. Вместо того, чтобы транспортировать водород с Земли для производства метана и кислорода, они намереваются добывать необходимую воду из подземного водяного льда, который, как теперь известно, присутствует в большом количестве на большей части поверхности Марса, производить, а затем хранить реагенты после Сабатье, а затем использовать их в качестве топлива для обратных полетов своего звездолета не ранее 2023 года.
Аналогичная реакция, предложенная для Марса, обратная реакция конверсии водяного газа, CO 2 + H 2 → CO + H 2 O. Эта реакция протекает быстро в присутствии железо-хромового катализатора при 400 ° Цельсия и была реализована НАСА на наземном испытательном стенде. Опять же, кислород рециркулируется из воды посредством электролиза, и для реакции требуется лишь небольшое количество водорода с Земли. Конечным результатом этой реакции является производство кислорода, который будет использоваться в качестве окислителя ракетного топлива.
Другой реакцией, предложенной для производства кислорода и топлива, является электролиз атмосферного диоксида углерода,
![{\displaystyle {\ce {{\overset {atmospheric \atop {carbon\ dioxide}}{2CO2}}->[{\ text {energy}}] {2CO} + O2}}}]( https: / /wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4f49184ac2be27170a7a7cda59230d9189caf92d)
Также было предложено производство кислорода, водорода и CO из марсианских отложений гематита на месте с помощью двухэтапного термохимического процесса CO. 2 /H2O-расщепления, в частности, в окислительно-восстановительном цикле магнетита / вюстита. Хотя термолиз является наиболее прямым одностадийным процессом расщепления молекул, это непрактично и неэффективно в случае H 2 O или CO 2. Это связано с тем, что для достижения полезной фракции диссоциации для процесса требуется очень высокая температура (>2500 ° C). Это создает проблемы при поиске подходящих материалов для реактора, потери из-за активной рекомбинации продукта и чрезмерные потери на апертурное излучение при использовании концентрированного солнечного тепла. Редокс-цикл магнетита / вюстита был впервые предложен Накамурой для солнечного применения на Земле и был одним из первых, используемых для двухступенчатого разделения воды на солнечной энергии. В этом цикле вода реагирует с вюститом (FeO) с образованием магнетита (Fe 3O4) и водорода. Вкратце реакции в этом двухэтапном процессе расщепления следующие:
![{\displaystyle {\ce {Fe3O4->[{\ text { энергия}}] {3FeO} + \ overbrace {1 / 2O2} ^ {\ underset {(\ operatorname {by-product})} {кислород}}}}}]( https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/741b834f7d4920fe9b9b880dc3a7ad145851efb6 )
и полученный FeO используется для термического расщепления воды или CO 2:
Этот процесс повторяется циклически. Вышеупомянутый процесс приводит к существенное снижение теплового ввода энергии по сравнению с наиболее прямым одностадийным процессом расщепления молекул.
Однако для запуска цикла требуется вюстит (FeO), но на Марсе нет вюстита или, по крайней мере, в сиг значительные суммы. Тем не менее, вюстит можно легко получить восстановлением гематита (Fe 2O3), который является обильным материалом на Марсе, что особенно заметно на сильных месторождениях гематита, расположенных на Терра Меридиани. Использование вюстита из гематита, широко доступного на Марсе, является промышленным процессом, хорошо известным на Земле, и осуществляется посредством следующих двух основных реакций восстановления:
Предлагаемый спускаемый аппарат Mars Surveyor 2001 года должен был продемонстрировать производство кислорода из атмосферы Марс и тестирует технологии солнечных элементов и методы смягчения воздействия марсианской пыли на энергосистемы, но проект был отменен. Предлагаемая миссия марсохода Mars 2020 может включать демонстратор технологии ISRU, который извлекает CO 2 из атмосферы и производит O 2 для ракетного топлива.
Было высказано предположение, что здания на Марсе могут быть построены из базальта, поскольку он обладает хорошими изоляционными свойствами. Подземная структура такого типа могла бы защитить формы жизни от радиационного воздействия.
Все ресурсы, необходимые для производства пластика, существуют на Марсе. Многие из этих сложных реакций могут завершиться из газов, собранных из марсианской атмосферы. Известно, что существуют следы свободного кислорода, окиси углерода, воды и метана. Водород и кислород можно получить путем электролиза воды, окиси углерода и кислорода путем электролиза двуокиси углерода и метана по реакции Сабатье углекислого газа и водорода. Эти основные реакции служат строительными блоками для более сложных последовательностей реакций, из которых можно получить пластмассу. Этилен используется для производства пластмасс, таких как полиэтилен и полипропилен, и может быть изготовлен из оксида углерода и водорода:
След в лунном реголите.Луна обладает обильным сырьем, которое потенциально может иметь отношение к иерархии будущих приложений, начиная с использования лунных материалов. для облегчения деятельности человека на Луне и перехода к использованию лунных ресурсов для поддержки будущего промышленного потенциала в системе Земля-Луна. Природные ресурсы включают солнечную энергию, кислород, воду, водород и металлы.
Лунный горный материал анортит может использоваться как алюминий руда. Плавильные печи могут производить из анортита чистый алюминий, металлический кальций, кислород и кварцевое стекло. Необработанный анортит также подходит для изготовления стекловолокна и других изделий из стекла и керамики. Одним из конкретных методов обработки является использование фтора, принесенного с Земли в виде фторида калия, для отделения сырья от лунных пород.
Было предложено более двадцати различных методов для кислород извлечение из лунного реголита. Кислород часто содержится в богатых железом лунных минералах и стеклах в виде оксида железа. Кислород можно извлечь, нагревая материал до температуры выше 900 ° C и подвергая его воздействию газообразного водорода. Основное уравнение: FeO + H 2 → Fe + H 2 O. Этот процесс недавно стал гораздо более практичным благодаря открытию значительных количеств водород -содержащего реголита вблизи полюсов Луны космическим кораблем Clementine.
Лунные материалы могут также использоваться в качестве строительных материалов общего назначения с помощью таких методов обработки, как спекание, горячее прессование, ожижение и метод литья базальта.. Литой базальт используется на Земле для строительства, например, труб, где требуется высокая стойкость к истиранию. Стекло и стекловолокно легко обрабатывать на Луне и Марсе. Базальтовое волокно также было изготовлено из имитаторов лунного реголита.
На Земле были проведены успешные испытания с использованием двух имитаторов лунного реголита MLS-1 и MLS-2. В августе 2005 года НАСА заключило контракт на производство 16 тонн смоделированного лунного грунта или материала, имитирующего лунный реголит, для исследования того, как лунный грунт можно использовать на месте.
Другие предложения основаны на Фобосе и Деймосе. Эти спутники находятся на достаточно высоких орбитах над Марсом, имеют очень низкие скорости убегания и, в отличие от Марса, возвращают delta-v со своей поверхности на LEO, что меньше, чем возврат с
Церера находится дальше, чем Марс, с более высокой дельта-v, но окна запуска и время полета лучше, а сила тяжести на поверхности составляет всего 0,028 г, с очень низкой скоростью убегания 510 м. / с. Исследователи предположили, что внутренняя конфигурация Цереры включает богатую водяным льдом мантию над скалистым ядром.
Астероиды, сближающиеся с Землей, и тела в поясе астероидов также могут быть источниками сырья. для ISRU.
Были сделаны предложения по «добыче полезных ископаемых» для ракетной двигательной установки с использованием так называемого гидроаккумулятора пропульсивной жидкости. Атмосферные газы, такие как кислород и аргон, могут быть извлечены из атмосферы таких планет, как Земля, Марс и внешние Газовые гиганты с помощью пропульсивного жидкостного аккумулятора. спутники на низкой орбите.
В октябре 2004 года Управление перспективного планирования и интеграции НАСА поручило группе по разработке плана возможностей ISRU. Отчет группы, наряду с отчетами 14 других групп по разработке плана развития возможностей, был опубликован 22 мая 2005 г. В отчете определены семь возможностей ISRU: (i) добыча ресурсов, (ii) обработка материалов и транспортировка, (iii) обработка ресурсов, (iv) наземное производство с использованием ресурсов на месте, (v) строительство поверхности, (vi) хранение и распространение продуктов ISRU и расходных материалов на поверхности, и (vii) уникальные возможности ISRU по разработке и сертификации.
Отчет посвящен лунной и марсианской среде. Он предлагает подробный график и дорожную карту возможностей до 2040 года, но предполагает, что лунные аппараты будут запущены в 2010 и 2012 годах.
Mars Surveyor 2001 Lander был предназначен доставить на Марс испытательную полезную нагрузку MIP (Mars ISPP Precursor), которая должна была продемонстрировать производство кислорода из атмосферы Марса, но миссия была отменена.
Эксперимент Mars Oxygen ISRU (MOXIE) представляет собой прототип модели в масштабе 1% на борту планируемого марсохода Mars 2020, который будет производить кислород из двуокиси углерода марсианской атмосферы (CO2 ) в процесс, называемый электролиз твердых оксидов.
Лунный марсоход Resource Prospector был разработан для разведки ресурсов в полярном регионе Луны, и его предполагалось запустить в 2022 году. все еще находился на стадии предварительной разработки, и прототип марсохода проходил испытания, когда он был списан в апреле 2018 года. Его научные инструменты будут использоваться вместо этого на нескольких полеты коммерческих посадочных модулей, заказанные новой программой НАСА Commercial Lunar Payload Services (CLSP), которая направлена на тестирование различных лунных процессов ISRU путем посадки нескольких полезных нагрузок на несколько коммерческих посадочных устройств и вездеходов. Первый официальный запрос ожидается где-то в 2019 году.
