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

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 5148 (2023) Citar este artigo

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A atmosfera marciana contém 0,16% de oxigénio, que é um exemplo de recurso in situ que pode ser utilizado como precursor ou oxidante para propulsores, para sistemas de suporte de vida e potencialmente para experiências científicas. 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 à determinação de um projeto de aparelho adequado para realizar o processo. O sistema de bombeamento de oxigênio perovskita (POP) usa o processo químico subjacente, que se baseia no potencial químico dependente da temperatura do oxigênio no óxido metálico multivalente, para liberar e absorver oxigênio em resposta às oscilações de temperatura. O objetivo principal 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 nas condições ambientais mais extremas de Marte. 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 de oxigênio como oxidante para os motores de foguete 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 Terra terá como objectivo o planeta Marte e provavelmente será lançada nos anos 20-30 do século XXI. Missões correspondentes estão sendo planejadas pela NASA e pela SpaceX, entre outras. Ambas as organizações planejam produzir oxigênio no local, em Marte, em uma missão não tripulada que antecede a missão tripulada. A produção de oxigénio 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 água gelada e eletrolisando a água com eletricidade gerada a partir de energia solar fotovoltaica. O hidrogénio será convertido em metano utilizando dióxido de carbono da atmosfera marciana, enquanto o oxigénio será armazenado como oxidante para o voo de regresso2. A agência espacial norte-americana NASA planeja produzir oxigênio em Marte por meio da eletrólise de alta temperatura do CO2 da atmosfera marciana. Neste processo, o CO2 é dividido em O2 e CO. Este processo está atualmente a ser testado a bordo do rover Perseverance, em Marte, como parte da experiência 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 planeada, a NASA estimou a necessidade de produzir 22,7 toneladas de oxigénio líquido em 420 dias terrestres, o que corresponde a uma produção média de oxigénio 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 oxigénio gasoso, basicamente um sistema MOXIE melhorado, pesaria cerca de uma tonelada métrica6. Tal dispositivo ampliado, bem como o equipamento de geração de energia associado, será utilizado como marcador de referência neste estudo, pois nosso objetivo é superar o atual estado da arte da tecnologia na produção de oxigênio extraterrestre.

Tanto a NASA quanto a SpaceX planejam o uso da eletrólise. A energia eléctrica necessária tem de ser gerada a partir de uma fonte de energia primária, o que envolve perdas inerentes, bem como equipamento técnico elaborado e pesado. 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 através da separação do ar e a remoção de oxigênio pela divisão de água e CO2, bem como o armazenamento de oxigênio em oxigênio bombas7,8,9,10,11,12,13,14. Esses sistemas também podem ser utilizados 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 consome muito menos energia do que a divisão de CO2.