Processo termoquímico e aparato compacto para concentração de oxigênio em atmosferas extraterrestres: um estudo de viabilidade

Oct 14, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 5148 (2023) Citar este artigo

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A atmosfera marciana contém 0,16% de oxigênio, que é um exemplo de recurso in situ que pode ser usado como precursor ou oxidante para propulsores, para sistemas de suporte à vida e potencialmente para experimentos científicos. Assim, o presente trabalho está relacionado à invenção de um processo para concentrar oxigênio na atmosfera extraterrestre deficiente em oxigênio por meio de um processo termoquímico e a determinação de um projeto de aparelho de melhor caso adequado para realizar o processo. O sistema de bombeamento de oxigênio perovskita (POP) usa o processo químico subjacente, que é baseado no potencial químico dependente da temperatura do oxigênio no óxido metálico multivalente, para liberar e absorver oxigênio em resposta às oscilações de temperatura. O principal objetivo deste trabalho é, portanto, identificar materiais adequados para o sistema de bombeamento de oxigênio e otimizar a temperatura e o tempo de oxidação-redução necessários para operar o sistema, para produzir 2,25 kg de oxigênio por hora sob as condições ambientais mais extremas marcianas. e baseado no conceito de processo termoquímico. Materiais radioativos como 244Cm, 238Pu e 90Sr são analisados ​​como fonte de aquecimento para a operação do sistema POP, e são identificados aspectos críticos da tecnologia, bem como fragilidades e incertezas relacionadas ao conceito operacional.

A geração de oxigênio fora da atmosfera terrestre é um fator crucial para futuras missões espaciais tripuladas. O retorno dos astronautas à Terra requer grandes quantidades de propelente e geralmente oxigênio como oxidante para os motores de foguetes correspondentes. Além disso, o oxigênio é necessário para suporte de vida em missões tripuladas e possivelmente para experimentos científicos.

Prevê-se que a primeira missão espacial tripulada fora do sistema terrestre terá como alvo o planeta Marte e provavelmente será lançada nas décadas de 20 a 30 do século XXI. Missões correspondentes são planejadas pela NASA e SpaceX, entre outros. Ambas as organizações planejam produzir oxigênio no local em Marte em uma missão não tripulada que precede a missão tripulada. A produção de oxigênio em Marte (utilização de recursos in situ (ISRU)) também pode ser necessária para o retorno não tripulado de amostras do planeta Marte para a Terra (Mars Sample Return)1.

A SpaceX planeja produzir hidrogênio e oxigênio em Marte, extraindo gelo de água e eletrolisando a água com eletricidade gerada a partir da energia solar fotovoltaica. O hidrogênio será convertido em metano usando dióxido de carbono da atmosfera marciana, enquanto o oxigênio será armazenado como oxidante para o voo de volta2. A agência espacial americana NASA planeja produzir oxigênio em Marte por eletrólise de alta temperatura de CO2 da atmosfera marciana. Neste processo, o CO2 é dividido em O2 e CO. Este processo está atualmente sendo testado a bordo do Mars rover Perseverance como parte do experimento MOXIE3. Em 20 de abril de 2021, conseguiu pela primeira vez extrair 5,37 g de oxigênio da atmosfera marciana em uma hora4. Para a missão tripulada planejada, a NASA estimou a necessidade de produzir 22,7 toneladas de oxigênio líquido em 420 dias terrestres, o que corresponde a uma produção média de oxigênio de 2,25 kg por hora5. Na publicação "Mars Design Reference Architecture 5.0", assume-se que um sistema ISRU para extrair CO2 da atmosfera marciana e gerar oxigênio gasoso, basicamente um sistema MOXIE aprimorado, pesaria cerca de uma tonelada métrica6. Esse dispositivo aprimorado, bem como o equipamento de geração de energia associado, será usado como um marcador de referência neste estudo, pois nosso objetivo é superar a atual tecnologia de ponta na produção de oxigênio extraterrestre.

Tanto a NASA quanto a SpaceX planejam o uso de eletrólise. A energia elétrica necessária deve ser gerada a partir de uma fonte de energia primária, o que envolve perdas inerentes, bem como equipamentos técnicos elaborados e pesados. Como alternativa, consideramos processos termoquímicos para coletar oxigênio. Processos termoquímicos foram desenvolvidos no Centro Aeroespacial Alemão (DLR) nos Institutos de Pesquisa Solar e Combustíveis Futuros para a produção de nitrogênio por meio da separação do ar e a remoção de oxigênio pela separação da água e do CO2, bem como o armazenamento de oxigênio em oxigênio bombas7,8,9,10,11,12,13,14. Esses sistemas também podem ser usados ​​para a concentração de oxigênio15 e oferecem vantagens sobre a eletrólise do ponto de vista termodinâmico, uma vez que a geração do gradiente de concentração necessário é muito menos intensiva em energia do que a separação do CO2.