一种月球基地原位制备生命保障物质的系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种月球基地原位制备生命保障物质的系统与方法，包括空间温差发电装置、含冰月壤钻取装置、含冰月壤加热与盛水装置、水电解与氢气

【技术实现步骤摘要】
一种月球基地原位制备生命保障物质的系统与方法


[0001]本专利技术涉及探月工程
，特别是涉及一种月球基地原位制备生命保障物质的系统与方法。

技术介绍

[0002]我国已经进入载人登月、建立月球基地的前期阶段。建立月球基地，要建设生命保证系统，月球基地本身建设和载人飞船、地月运输及月球运输等系统都需要电能、热能和金属结构材料，基地人员需要呼吸氧气，运输工具需要燃料补给。因此，利用月球能源和资源，进行月球原位能量利用，原位制备生命保障系统紧迫需求的物质例如氧气、氢气、水、金属材料等十分重要。
[0003]月球太阳能能源十分丰富。由于月球表面的“大气”非常稀薄，太阳辐射可以长驱直入，所以到达月球的太阳光辐射能量极其巨大。现在月球探测器通常使用的发电装置为太阳能电池，但太阳能电池具有一些难以克服的问题。首先太阳能电池板由于自身性质的原因，其发电效率不超过20％，一般在16％左右，能量利用率低，这就需要很大面积的太阳能板才能满足发电功率的需求。其次，太阳能电池板比较薄，比较脆弱，如果在月球表面受到外力的冲击，比如陨石等，很容易损坏而导致整个探测设备瘫痪。再次，太阳能电池板展开后所占空间较大，像我国的“玉兔号”月球探测车，它的太阳能电池板在月面的投影面积是车体投影面积的两倍，这极大地限制了“玉兔号”的行动能力。月球基地初建期，研制一种替代太阳能硅电池的发电系统作为电源和热源供月球基地使用十分重要。
[0004]月球潜在资源有四种，一是月球高地硅酸盐矿物，富含铝、镁、稀土等，这类矿物含氧量高；二是月球月海矿物，主要含钛铁矿、橄榄石、辉石等矿物，特别是月海玄武岩，是巨大的钛铁矿的储存库。月海玄武岩蕴藏着丰富的钛铁矿，而且，钛铁矿不仅是生产金属铁、钛的原料，还是生产水和火箭燃料
‑
液氧的主要原料；三是月壤表岩层的太阳风化物，含He
‑
3、H、C及N；四是月球极地永久阴影区月壤中的水冰。
[0005]现有技术中介绍了月球能源利用、原位制备水、氧气及金属技术，但多数操作性差，经济成本高并且不具备可操作性。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种月球基地原位制备生命保障物质的系统与方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够利用月球能源和资源原位制备月球基地生命保障物质，经济成本低，具备技术可行性。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0008]本专利技术提供一种空间温差发电装置，包括热置换气缸、动力气缸、曲轴和发电机，所述热置换气缸包括顶板、底板、环形侧板和移气活塞，所述顶板和所述底板分别密封连接在所述环形侧板的顶端和底端，所述顶板的顶面上安装有平板集热器，所述底板的底面上安装所述动力气缸，且所述动力气缸与所述热置换气缸内部连通，所述移气活塞设置于所
述环形侧板内并位于所述顶板和所述底板之间，所述移气活塞外周面与所述环形侧板内周面存在移气间隙，所述移气活塞上连接有移气活塞杆，所述移气活塞杆穿过所述底板与第一连杆一端转动连接，所述第一连杆另一端与所述曲轴上的移气曲柄转动连接，所述底板上还设有注入口，所述注入口用于向所述热置换气缸内充填工质，所述动力气缸包括环形缸筒和滑动密封于所述环形缸筒内的动力活塞，所述动力活塞远离所述移气活塞的一面上连接有铰支架，所述铰支架与第二连杆一端转动连接，所述第二连杆另一端与所述曲轴上的动力曲柄转动连接，所述动力曲柄与所述移气曲柄呈90
°
夹角，所述曲轴与所述发电机的输入轴传动连接。
[0009]优选地，所述底板上固定设有轴承架，所述曲轴通过轴承转动连接于所述轴承架上。
[0010]优选地，所述移气活塞包括泡沫板和设置于所述泡沫板上下两面的钢片，两个所述钢片和所述泡沫板中心通过紧固螺丝连接，两个所述钢片通过胶粘剂与所述泡沫板粘接固定；所述动力活塞包括橡胶层和设置于所述橡胶层上下两面的钢板层，两个所述钢板层和所述橡胶层中心通过紧固螺丝连接，两个所述钢板层通过胶粘剂与所述橡胶层粘接固定。
[0011]优选地，所述顶板和所述底板的材质为铝合金，所述环形侧板的材质为有机玻璃，所述第一连杆和所述第二连杆均由钢板制作而成，所述曲轴采用高强度钢制作而成。
[0012]优选地，所述顶板和所述底板之间通过多根螺杆固定连接，所述顶板和所述底板与所述环形侧板的接缝处通过密封胶密封；所述移气活塞杆与所述底板通过密封圈实现滑动密封连接，所述动力活塞与所述环形缸筒通过密封圈实现滑动密封连接。
[0013]优选地，所述平板集热器包括紫铜基体，所述紫铜基体表面喷涂有吸光碳纳米管。
[0014]本专利技术还提供一种月球基地原位制备生命保障物质的系统，包括以上所述的空间温差发电装置，还包括含冰月壤钻取装置、含冰月壤加热与盛水装置、水电解与氢气
‑
氧气盛装装置、氢氧燃料电池以及氢气还原炉；所述空间温差发电装置输出交流电，所述氢氧燃料电池输出直流电，所述空间温差发电装置的输出端还连有接整流器，以将交流电整流为直流电；所述含冰月壤钻取装置用于钻取含冰月壤，所述含冰月壤加热与盛水装置包括用于将含冰月壤中水分加热并冷凝的含冰月壤加热冷凝装置以及用于存储冷凝水的盛水容器；所述水电解与氢气
‑
氧气盛装装置包括用于电解冷凝水的水电解装置以及分别用于存储电解水产生的氢气和氧气的氢气罐和氧气罐，所述氢气罐和所述氧气罐分别通过气阀与所述氢氧燃料电池连接；所述氢气还原炉由所述氢气罐和所述氧气罐分别提供氢气和氧气进行加热，并由所述氢气罐提供氢气作为还原气，所述氢气还原炉用于将月球月海矿物中的金属还原而出并得到液态水以储存于所述盛水容器中。
[0015]本专利技术还提供一种月球基地原位制备生命保障物质的方法，基于以上所述的月球基地原位制备生命保障物质的系统，包括以下步骤：通过所述含冰月壤钻取装置开采月球南极阴影区含冰月壤，将含冰月壤置于所述含冰月壤加热冷凝装置中加热并冷凝得到冷凝水，将冷凝水存储于所述盛水容器中，所述水电解装置电解冷凝水，将产生的氢气和氧气分别存储于所述氢气罐和所述氧气罐中，将月球月海矿物加入所述氢气还原炉中并加热，利用氢气作为还原气，反应得到金属和水；在月昼时，由所述空间温差发电装置发电供应各用电端，在月夜或其他情况下，由所述氢氧燃料电池供电。
[0016]优选地，所述氢气还原炉内的反应温度为1200℃～1300℃，反应时间为3～4h，所述水电解装置电解水的温度为70℃～80℃，所述水电解装置电解水用的催化剂为月球钙钛矿CaTiO3。
[0017]优选地，月球月海矿物包括钛铁矿、钙钛矿、硅酸镁，利用氢气作为还原气，反应得到金属铁、钛、镁和水。
[0018]本专利技术相对于现有技术取得了以下技术效果：
[0019]本专利技术提供的月球基地原位制备生命保障物质的系统与方法，采用空间温差发电装置，利用空间温差发电装置在月球表面上时的向阳面与背阳面的剧烈的温差，带动曲轴高效运转，从而通过发电机将机械功转换为电能，为月球基地建设提供电能，相较于太阳能电池本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空间温差发电装置，其特征在于：包括热置换气缸、动力气缸、曲轴和发电机，所述热置换气缸包括顶板、底板、环形侧板和移气活塞，所述顶板和所述底板分别密封连接在所述环形侧板的顶端和底端，所述顶板的顶面上安装有平板集热器，所述底板的底面上安装所述动力气缸，且所述动力气缸与所述热置换气缸内部连通，所述移气活塞设置于所述环形侧板内并位于所述顶板和所述底板之间，所述移气活塞外周面与所述环形侧板内周面存在移气间隙，所述移气活塞上连接有移气活塞杆，所述移气活塞杆穿过所述底板与第一连杆一端转动连接，所述第一连杆另一端与所述曲轴上的移气曲柄转动连接，所述底板上还设有注入口，所述注入口用于向所述热置换气缸内充填工质，所述动力气缸包括环形缸筒和滑动密封于所述环形缸筒内的动力活塞，所述动力活塞远离所述移气活塞的一面上连接有铰支架，所述铰支架与第二连杆一端转动连接，所述第二连杆另一端与所述曲轴上的动力曲柄转动连接，所述动力曲柄与所述移气曲柄呈90
°
夹角，所述曲轴与所述发电机的输入轴传动连接。2.根据权利要求1所述的空间温差发电装置，其特征在于：所述底板上固定设有轴承架，所述曲轴通过轴承转动连接于所述轴承架上。3.根据权利要求1所述的空间温差发电装置，其特征在于：所述移气活塞包括泡沫板和设置于所述泡沫板上下两面的钢片，两个所述钢片和所述泡沫板中心通过紧固螺丝连接，两个所述钢片通过胶粘剂与所述泡沫板粘接固定；所述动力活塞包括橡胶层和设置于所述橡胶层上下两面的钢板层，两个所述钢板层和所述橡胶层中心通过紧固螺丝连接，两个所述钢板层通过胶粘剂与所述橡胶层粘接固定。4.根据权利要求1所述的空间温差发电装置，其特征在于：所述顶板和所述底板的材质为铝合金，所述环形侧板的材质为有机玻璃，所述第一连杆和所述第二连杆均由钢板制作而成，所述曲轴采用高强度钢制作而成。5.根据权利要求1所述的空间温差发电装置，其特征在于：所述顶板和所述底板之间通过多根螺杆固定连接，所述顶板和所述底板与所述环形侧板的接缝处通过密封胶密封；所述移气活塞杆与所述底板通过密封圈实现滑动密封连接，所述动力活塞与所述环形缸筒通过密封圈实现滑动密封连接。6.根据权利要求1所述的空间温差发电装置，其特征在于：所述平板集热器包括紫...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢惠民，卢小溪，
申请(专利权)人：易航时代北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：