基于微生物电化学的火星原位推进剂制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种基于微生物电化学的火星原位推进剂制备方法及应用，将火星原位水资源加入微生物电化学反应器的阳极腔中，水在电阳极催化剂的作用下发生分解反应，生成的质子通过质子交换膜转移到阴极为

【技术实现步骤摘要】
基于微生物电化学的火星原位推进剂制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及火星原位资源利用技术，具体地，涉及基于微生物电化学的火星原位推进剂制备方法及应用
。

技术介绍

[0002]2020
年，我国发射火星探测器“天问一号”，并且已于
2021
年5月
15
日成功着陆，“祝融号”火星车也开展了一系列火星表面巡视探测工作，一步实现“绕
、
落
、
巡”的工程目标，后续还将进一步开展关于火星取样返回的规划论证工作
。
在同一发射窗口，美国的“毅力号”和阿联酋的“希望号”也先后成功发射，掀起了
21
世纪以来人类探索火星的又一个高潮
。
自
NASA
公布
Artemis
计划路线图后，美国关于载人登火的远景目标也已经浮出水面
。
日趋成熟的商业航天对此更是摩拳擦掌，
SpaceX
公司宣称将在
2026
年进行首次载人火星飞行，在
2050
年前建成能够自我维持的人类火星基地
。
火星的探测与开发已经成为世界各国争夺的焦点，也是我国“航天强国”建设的重大挑战
。
[0003]在火箭推进剂无毒化的发展趋势下，液氧甲烷已经成为可重复使用空间飞行器发动机的第一选择
。
相比于液氧液氢发动机，液态甲烷的密度约为其6倍，储存温度更高
(112K)/>与液氧
(90K)
相近，维护和使用成本更低；而相比于液氧煤油发动机，液氧甲烷发动机比冲更高，燃烧室积碳少，对推力室进行再生冷却时无结焦，回收后可将剩余推进剂直接蒸发无需特殊处理，因此特别适合长寿命可重复使用发动机
。
近年来，美国
、
俄罗斯
、
欧洲
、
日本均对液氧甲烷发动机开展了大量研究，并计划将其应用于适合火星探测的下一代可重复使用发动机
。
[0004]然而，目前火星取样返回及载人探测任务的最大制约因素在于推进剂携带量，单纯通过提高运载能力增加推进剂携带量并不现实，每多运送一千克推进剂到火星，地面发射质量就要增加数百千克，多次发射实现推进剂补给则成本过于高昂
。
地外星体原位资源利用技术
(In
‑
situ resource utilization
，
ISRU)
被认为是最有可能打破这一瓶颈问题的关键技术
。
据估算，仅宇航员返回火星轨道用的火星上升飞行器就需要
29.3
吨的氧气，相应则需要
10
吨以上的甲烷作为燃料
。
因此，利用火星大气中丰富的
CO2资源与近地表盐水资源联产甲烷和氧气用作火星飞行器推进剂，对于我国开展载人火星探测具有重要意义
。
[0005]火星大气主要包括
95.32
％的
CO2、2.7
％的
N2、1.6
％的
Ar
等气体
。
丰富的
CO2可作为火星上获取碳元素及其化合物的原料
。
经探测，火星上确实存在水资源，其存在形式包括两极地区的水冰
、
地壳深层的水冰和地壳中的矿物水化物
。2015
年
NASA
宣布在火星上发现液态盐水资源的存在证据
。2018
年欧洲航天局也通过火星快车探测器证实了火星南极地区冰层和尘埃层下存在液态湖泊
。
如果对这些水资源进行有效开发利用，便能够提供足够的氢和氧
。
[0006]2016
年，美国麻省理工大学的
Meyen
等人提出了一种火星氧气原位资源利用实验
(MOXIE)
模块，采用固态氧化物电解的方式从
CO2中生产氧气
。NASA
也在
2020
年的火星探测项目中，为“毅力号”火星探测车装备了该模块，作为未来火星氧气生产工厂1％规模的验证
模型
。
然而，该技术路线缺乏燃料合成过程，还需要通过飞行器从地球携带大量燃料
。
根据
NASA
对火星表面
ISRU
技术对于飞行器减重程度和经济性的评估，采用
ISRU
只生产氧气对火星登陆器的减重程度为
73
％；而对应于同时生产甲烷和氧气的火星返回任务，减重幅度能够进一步增大为
94
％，具有更优的经济性
。
[0007]目前国内没有发现同本专利技术类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料
。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于微生物电化学的火星原位推进剂制备方法及应用
。
[0009]本专利技术的目的可以通过以下方案来实现：
[0010]第一方面，本专利技术提供一种基于微生物电化学的火星原位推进剂制备方法，包括以下步骤：
[0011]S1、
将火星原位水资源加入微生物电化学反应器的阳极腔中，产生氧气
、
质子和电子；
[0012]S2、
将火星原位
CO2资源通入微生物电化学反应器的阴极腔中，在电阴极上附着产甲烷微生物，产生甲烷；
[0013]S3、
分别从微生物电化学反应器的阳极腔和阴极腔中收集并提纯氧气和甲烷，得到火星原位推进剂
。
[0014]作为本专利技术的一个实施方案，在步骤
S1
中，火星原位水资源为火星原位资源中可供利用的水资源
。
[0015]作为本专利技术的一个实施方案，在步骤
S1
中，所述火星原位资源包括表层颗粒状土壤
、
表层矿物
、
液态水
、
水冰中的至少一种
。
[0016]作为本专利技术的一个实施方案，在步骤
S1
中，阳极腔中的电阳极催化剂为析氧反应催化剂
。
水在电阳极催化剂的作用下发生分解反应：
2H2O
‑
4e
‑
→
4H
+
+O2，生成的质子通过质子交换膜转移到阴极为
CO2还原提供氢源，而电子则在外电路驱动作用下转移到阴极为
CO2还原反应提供动力
。
[0017]作为本专利技术的一个实施方案，在步骤
S1
中，所述电阳极催化剂包括金属氧化物
、
纯碳基底
、
金属有机骨架中的至少一种
。
[0018]进一步地，所述电阳极催化剂包括二氧化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于微生物电化学的火星原位推进剂制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
将火星原位水资源加入微生物电化学反应器的阳极腔中，产生氧气
、
质子和电子；
S2、
将火星原位
CO2资源通入微生物电化学反应器的阴极腔中，在电阴极上附着产甲烷微生物，产生甲烷；
S3、
分别从微生物电化学反应器的阳极腔和阴极腔中收集并提纯氧气和甲烷，得到火星原位推进剂
。2.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤
S1
中，火星原位水资源为火星原位资源中可供利用的水资源，所述火星原位资源包括表层颗粒状土壤
、
表层矿物
、
液态水
、
水冰中的至少一种
。3.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤
S1
中，阳极腔中的电阳极催化剂包括金属氧化物
、
纯碳基底
、
金属有机骨架中的至少一种
。4.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤
S2
中，火星原位
CO2资源包括直接收集的火星大气或火星大气经过除尘和组分分离得到的高纯

【专利技术属性】
技术研发人员：张泽，王园丁，贾晴晴，郭曼丽，陈金利，章洪涛，薛翔，
申请(专利权)人：上海空间推进研究所，
类型：发明
国别省市：