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

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 constitue un exemple de ressource in situ pouvant être utilisée comme précurseur ou oxydant pour les propulseurs, pour les systèmes de survie et potentiellement pour des expériences scientifiques. Ainsi, le présent travail concerne l'invention d'un processus permettant de concentrer l'oxygène dans l'atmosphère extraterrestre pauvre en oxygène au moyen d'un processus thermochimique et la détermination d'une conception d'appareil optimale appropriée pour mettre en œuvre le processus. Le système de pompage d'oxygène par pérovskite (POP) utilise le processus chimique sous-jacent, basé sur le potentiel chimique de l'oxygène sur l'oxyde métallique multivalent, dépendant de la température, 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 au fonctionnement du 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 processus thermochimique. Les matières radioactives telles que le 244Cm, le 238Pu et le 90Sr sont analysées 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 production 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 au maintien de la vie lors des missions habitées et éventuellement pour les 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 années 20-30 du XXIe siècle. Des missions correspondantes sont prévues, entre autres, par la NASA et SpaceX. Les deux organisations prévoient de produire de l'oxygène sur place sur Mars dans le cadre d'une mission sans pilote précédant la mission habitée. La production d’oxygène sur Mars (utilisation des ressources in situ (ISRU)) pourrait 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 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 martien 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 permettant d’extraire le CO2 de l’atmosphère martienne et de générer de l’oxygène gazeux, essentiellement un système MOXIE amélioré, pèserait environ une tonne6. 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 l'état actuel de la technologie en matière de production d'oxygène extraterrestre.

La NASA et SpaceX prévoient d’utiliser l’électrolyse. L'énergie électrique nécessaire doit être produite à partir d'une source d'énergie primaire, ce qui implique des pertes inhérentes ainsi qu'un équipement technique complexe et lourd. Comme alternative, nous envisageons des processus thermochimiques pour collecter l’oxygène. Des processus thermochimiques ont été développés au Centre aérospatial allemand (DLR) dans les Instituts de recherche solaire et de combustibles du futur pour la production d'azote par séparation de l'air et l'élimination de l'oxygène par division 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 de l'oxygène15 et offrent des avantages par rapport à l'électrolyse d'un point de vue thermodynamique, car la génération du gradient de concentration nécessaire nécessite beaucoup moins d'énergie que la division du CO2.