火星表面产生氧气的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种火星表面产生氧气的装置和方法，属于火星环境资源利用领域，该方法利用火星表面太阳能转化为电能，通过对二氧化碳放电将二氧化碳等离子体化并转化为氧气；该装置结构简单，可直接利用火星表面的太阳能和大气资源实现在火星表面直接制取氧气的目的。该装置包括火星气体采集单元、氧气生成单元、供电单元、气体监测单元、氧气分离提纯单元和氧气压缩储存单元。本发明专利技术能够应用于火星环境资源开发及利用工程任务中，可为火星载人探测或样品返回提供必要呼吸气体和动力燃料。

A device and method for producing oxygen on the surface of the Mars

The invention provides a device and method for producing oxygen on the surface of the Mars, which belongs to the field of resource utilization of the Martian environment. The method uses the solar energy of the surface of Mars to be converted into electrical energy by plasma and conversion of carbon dioxide into oxygen by carbon dioxide discharge; the device is simple to use the sun on the surface of the Mars. It can achieve direct oxygen production on Mars surface with atmospheric resources. The device includes the Martian gas acquisition unit, the oxygen generating unit, the power supply unit, the gas monitoring unit, the oxygen separation and purification unit and the oxygen compression storage unit. The invention can be applied to the development and utilization of Mars environmental resources, and can provide necessary breathing gas and fuel for the manned exploration of Mars or the return of the sample.

【技术实现步骤摘要】
火星表面产生氧气的装置和方法
本专利技术属于火星环境资源利用领域，尤其涉及一种在火星上将火星大气中的二氧化碳转化为氧气的实验装置及实验方法。
技术介绍
火星是太阳系地外行星中最有可能适合人类生存的星球。火星探测已经成为国际热点与科技大国之间的竞争焦点，对人类生存和发展都有着重要意义。火星表面环境与地球差异巨大，主要特征为：低温、低气压(二氧化碳气氛)、高辐射、低重力。人类若要登陆甚至移民火星，需要将火星进行地球化改造，非常关键的前提条件就是要产生大量的可供人类呼吸和作为火箭燃料的氧气。目前针对火星表面产生O2的研究才刚起步，麻省理工学院研发的火星表面O2就位产生系统(MOXIE，MarsOxygeninsituresourceutilizationexperiment)采用核能为动力，电催化方式将火星大气中的二氧化碳转化为O2。但该系统需要在高温、催化和压缩火星表面二氧化碳气体的条件下才能正常工作。系统能耗较、体积和重量很大。因此，寻找一种有效地产生氧气的技术手段就显得极为重要。
技术实现思路
本专利技术提出一种火星表面产生氧气的装置和方法，该方法利用火星表面太阳能转化为电能，通过对二氧化碳放电将二氧化碳等离子体化并转化为氧气；该装置结构简单，可直接利用火星表面的太阳能和大气资源实现在火星表面直接制取氧气的目的。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种火星表面产生氧气的装置，包括：火星气体采集单元；氧气生成单元，所述氧气生成单元与所述火星气体采集单元相连，所述氧气生成单元包括高压高频电源和等离子体发生器，用于将所述火星气体采集单元采集的火星大气等离子体化，使二氧化碳转化为氧气；氧气分离提纯单元，所述氧气分离提纯单元与所述氧气生成单元相连，用于分离纯化所述氧气生成单元中反应生成的气体，得到纯净的氧气；氧气压缩储存单元，所述氧气压缩储存单元与所述氧气分离提纯单元相连，用于压缩储存纯净的氧气；供电单元，所述供电单元分别与所述火星气体采集单元、氧气生成单元、气体检测单元、氧气分离提纯单元、氧气压缩储存单元相连，用于向所述火星气体采集单元的进气、所述氧气生成单元、所述氧气分离提纯单元和氧气压缩储存单元提供所需能量。作为优选，所述等离子体发生器包括第一等离子体发生器和第二等离子体发生器，所述第一等离子体发生器用于放电激发二氧化碳反应生成氧气与一氧化碳，所述第二等离子体发生器在用于激发由第一等离子体发生器产生的部分一氧化碳反应生成氧气与碳的同时，进一步电离第一等离子体发生器中未完全参与反应的残留二氧化碳气体反应产生氧气与一氧化碳。作为优选，所述高压高频电源包括第一高压高频电源和第二高压高频电源，所述第一高压高频电源用于向所述第二等离子体发生器提供能量，所述第二高压高频电源用于向第一等离子体发生器提供能量。作为优选，所述装置还包括气体监测单元，所述气体监测单元用于监测所述第一等离子体发生器反应产生的气体成分，根据其监测结果对所述第一高压高频电源进行能量调节，使其达到产氧量高的放电条件。作为优选，所述第一等离子体发生器和所述第二等离子体发生器为两个半径不同的同心圆柱导体壳拼接成的一进一出密封性良好的环形柱体气室，两个圆柱导体壳分别为气室的外壁和内壁,所述气室的外壁和内壁分别连接所述高频高压电源的正极和负极，气室的上底与下底用切割好的聚四氟乙烯代替并用密封胶严密密封胶和，所述第一等离子体发生器的外壁上设有分别连接第一进气导管和第一出气导管的孔。作为优选，所述火星气体采集单元包括与所述第一进气导管顺次紧密连接的气体泵、过滤管和流量计。作为优选，所述第一等离子体发生器的第一出气导管通过小导管与所述第二等离子体发生器的第二进气导管相连通，所述第二等离子体发生器的第二出气导管与所述氧气分离提纯单元相连，其中，所述小导管同时连接插入所述气体监测单元中。作为优选，所述第一等离子体发生器和第二等离子体发生器内设有催化功能单元，所述催化功能单元包括由钇稳定氧化锆或氧化铈制成的透气层。本专利技术还提供了一种利用如上述任一项技术方案所述的火星表面产生氧气的装置产生氧气的方法，包括如下步骤：利用供电单元将太阳能转化成电能驱动火星大气采集单元和氧气生成单元，火星大气采集单元将富含二氧化碳的火星大气输入氧气生成单元内，第一等离子体发生器内通过放电激发二氧化碳生成氧气和一氧化碳，利用气体监测单元监测所述第一等离子体发生器内反应生成的气体成分，并根据其结果对第一高压高频电源的能量进行调节，使其达到产氧量高的放电条件；第二等离子体发生器内在激发由第一等离子体发生器产生的部分一氧化碳反应生成氧气与碳的同时，进一步电离第一等离子体发生器中未完全参与反应的残留的二氧化碳气体反应产生氧气与一氧化碳；将第二等离子体发生器内反应生成的气体通过氧气分离纯化单元进行纯化，去除反应中的有害副产物，得到纯净的氧气，将其输入氧气压缩储存单元内，即时进行气体压缩与储存操作。作为优选，所述方法的反应条件为：将火星大气采集单元放置于气压300pa-700pa、含95.5％-100％二氧化碳气体的模拟火星舱内，且用可控制冷装置将导管的温度维持在-60℃-室温之间。与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果在于：1、本专利技术提供的火星表面等离子体法产生氧气的装置结构简单，直接利用火星表面的太阳能和大气资源即可实现在火星表面直接制取氧气的目的，能耗少，可以为火星探索任务提供帮助；2、本专利技术提供的火星表面等离子体法产生氧气的装置安装有催化功能单元，保障了较高产率。较高的产率同时也降低了对人类呼吸有害的气体成分的产生，提高氧气的纯度。3、本专利技术提供的火星表面等离子体法产生氧气装置安装有气体监测与压缩储存单元，保障了氧气的纯度和有效的储存。其中，气体监测单元可以实时监控系统中氧气产率和整体系统的运行状态，保证了系统产生氧气的质量。附图说明图1为本专利技术实施例所提供的火星表面产生氧气的装置结构示意图。具体实施方式为了更清楚详细地介绍本专利技术实施例所提供的火星表面产生氧气的装置和方法，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1参见图1，本实施例提供了一种火星表面产生氧气的装置，包括供电单元1、火星气体采集单元4、氧气生成单元、气体监测单元6、氧气分离提纯单元8和氧气压缩储存单元9，其中氧气生成单元包括两套，分别包括第二高压高频电源3和第一等离子体发生器5以及第一高压高频电源2和第二等离子体发生器7。该装置具体可分为电路部分和气路部分，其中，电路部分为供电单元1，可为火星气体采集单元4和两套氧气生成单元分别提供进气和反应能量。供电单元1可选用太阳能电池板，以便在火星条件下获得直接的能源，电池板两级与第一高频电压源2、第二高频电压源3和火星大气采集单元4并联。第一高频电压源2、第二高频电压源3的作用是将太阳能电池板提供的电压转化为高频高压输出给等离子发生器。第一等离子体发生器5和第二等离子体发生器7为两个半径不同的同心圆柱导体壳极板拼接成的一进一出密封性良好的环形柱体气室，两个圆柱导体壳成为气室的内壁和外壁，所述气室的内壁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种火星表面产生氧气的装置，其特征在于，包括：火星气体采集单元；氧气生成单元，所述氧气生成单元与所述火星气体采集单元相连，所述氧气生成单元包括高压高频电源和等离子体发生器，用于将所述火星气体采集单元采集的火星大气等离子体化，使二氧化碳转化为氧气；氧气分离提纯单元，所述氧气分离提纯单元与所述氧气生成单元相连，用于分离纯化所述氧气生成单元中反应生成的气体，得到纯净的氧气；氧气压缩储存单元，所述氧气压缩储存单元与所述氧气分离提纯单元相连，用于压缩储存纯净的氧气；供电单元，所述供电单元分别与所述火星气体采集单元、氧气生成单元、气体检测单元、氧气分离提纯单元、氧气压缩储存单元相连，用于向所述火星气体采集单元的进气、氧气生成单元、氧气分离提纯单元和氧气压缩储存单元提供所需能量。

【技术特征摘要】
1.一种火星表面产生氧气的装置，其特征在于，包括：火星气体采集单元；氧气生成单元，所述氧气生成单元与所述火星气体采集单元相连，所述氧气生成单元包括高压高频电源和等离子体发生器，用于将所述火星气体采集单元采集的火星大气等离子体化，使二氧化碳转化为氧气；氧气分离提纯单元，所述氧气分离提纯单元与所述氧气生成单元相连，用于分离纯化所述氧气生成单元中反应生成的气体，得到纯净的氧气；氧气压缩储存单元，所述氧气压缩储存单元与所述氧气分离提纯单元相连，用于压缩储存纯净的氧气；供电单元，所述供电单元分别与所述火星气体采集单元、氧气生成单元、气体检测单元、氧气分离提纯单元、氧气压缩储存单元相连，用于向所述火星气体采集单元的进气、氧气生成单元、氧气分离提纯单元和氧气压缩储存单元提供所需能量。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述等离子体发生器包括第一等离子体发生器和第二等离子体发生器，所述第一等离子体发生器用于放电激发二氧化碳反应生成氧气与一氧化碳，所述第二等离子体发生器在用于激发由第一等离子体发生器产生的部分一氧化碳反应生成氧气与碳的同时，进一步电离第一等离子体发生器中未完全参与反应的残留二氧化碳气体反应产生氧气与一氧化碳。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述高压高频电源包括第一高压高频电源和第二高压高频电源，所述第一高压高频电源用于向所述第二等离子体发生器提供能量，所述第二高压高频电源用于向第一等离子体发生器提供能量。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括气体监测单元，所述气体监测单元用于监测所述第一等离子体发生器反应产生的气体成分，根据其监测结果对所述第一高压高频电源进行能量调节，使其达到产氧量高的放电条件。5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一等离子体发生器和所述第二等离子体发生器为两个半径不同的同心圆柱导体壳拼接成的一进一出密封性良好的环形柱体气室，两个圆柱导体壳分别为气室的外壁和内壁,所述气室的外壁和内壁分别连接所...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛艳青，武中臣，王霄，王家豪，张江，凌宗成，李勃，付晓辉，郭恺琛，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37