외계 대기에서 산소를 농축하기 위한 열화학 공정 및 소형 장치: 타당성 조사

Oct 14, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5148(2023) 이 기사 인용

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화성 대기에는 0.16%의 산소가 포함되어 있는데, 이는 추진제, 생명 유지 시스템 및 잠재적으로 과학 실험을 위한 전구체 또는 산화제로 사용될 수 있는 현장 자원의 예입니다. 따라서, 본 연구는 열화학 공정을 통해 산소가 부족한 외계 대기에 산소를 농축하는 공정의 발명과 이 공정을 수행하기 위한 적합한 최상의 장치 설계 결정에 관한 것입니다. 페로브스카이트 산소 펌핑(POP) 시스템은 온도 변화에 반응하여 산소를 방출하고 흡수하기 위해 다가 금속 산화물에 대한 온도에 따른 산소의 화학적 전위를 기반으로 하는 기본 화학 공정을 사용합니다. 따라서 이 연구의 주요 목표는 산소 펌핑 시스템에 적합한 재료를 식별하고 시스템을 작동하는 데 필요한 산화-환원 온도와 시간을 최적화하여 화성의 가장 극한 환경 조건에서 시간당 2.25kg의 산소를 생산하는 것입니다. 열화학 공정 개념을 기반으로 합니다. 244Cm, 238Pu, 90Sr 등의 방사성 물질을 POP 시스템 운영을 위한 열원으로 분석하고 기술의 중요한 측면과 운영 개념과 관련된 약점 및 불확실성을 식별합니다.

지구 대기권 외부의 산소 생성은 미래의 유인 우주 임무에 중요한 요소입니다. 우주비행사가 지구로 돌아오려면 다량의 추진제가 필요하며 일반적으로 해당 로켓 엔진의 산화제인 산소가 필요합니다. 또한 유인 임무의 생명 유지와 과학 실험을 위해서는 산소가 필요합니다.

지구 시스템 밖의 최초의 유인 우주 임무는 화성을 목표로 할 것이며 아마도 21세기 20~30년대에 발사될 것으로 예상됩니다. NASA와 SpaceX 등이 해당 임무를 계획하고 있습니다. 두 기관 모두 유인 임무에 앞서 무인 임무를 통해 화성 현장에서 산소를 생산할 계획이다. 화성에서 지구로 샘플을 무인으로 반환(화성 샘플 반환)1하려면 화성에서 산소를 생산(ISRU)하는 것이 필요할 수도 있습니다.

SpaceX는 얼음을 채굴하고 태양광 에너지에서 생성된 전기로 물을 전기분해하여 화성에서 수소와 산소를 생산할 계획입니다. 수소는 화성 대기의 이산화탄소를 사용하여 메탄으로 변환되고, 산소는 귀국 비행을 위해 산화제로 저장됩니다2. 미국 우주국 NASA는 화성 대기의 CO2를 고온 전기분해해 화성에서 산소를 생산할 계획이다. 이 과정에서 CO2는 O2와 CO로 분리됩니다. 이 과정은 현재 MOXIE 실험3의 일환으로 화성 탐사선 Perseverance에서 테스트되고 있습니다. 2021년 4월 20일, 최초로 1시간 이내에 화성 대기에서 5.37g의 산소를 추출하는 데 성공했습니다4. NASA는 계획된 유인 임무를 위해 420일 동안 22.7톤의 액체 산소를 생산해야 할 필요성을 추정했는데, 이는 시간당 평균 2.25kg의 산소 생산량에 해당합니다5. "Mars Design Reference Architecture 5.0" 간행물에서는 화성 대기에서 CO2를 추출하고 기체 산소를 생성하는 ISRU 시스템(기본적으로 업스케일된 MOXIE 시스템)의 무게가 약 1미터톤에 달할 것으로 가정합니다6. 우리의 목표는 외계 산소 생산에 있어 현재의 최첨단 기술을 능가하는 것이기 때문에 이러한 확장된 장치와 관련 발전 장비는 이 연구에서 참조 마커로 사용될 것입니다.

NASA와 SpaceX 모두 전기분해 사용을 계획하고 있습니다. 필요한 전기 에너지는 1차 에너지원에서 생성되어야 하며, 여기에는 고유한 손실과 정교하고 무거운 기술 장비가 포함됩니다. 대안으로 우리는 산소를 모으는 열화학 공정을 고려합니다. 열화학 공정은 공기 분리를 통해 질소를 생산하고 물과 CO2를 분리하여 산소를 제거하고 산소에 산소를 저장하기 위한 태양광 연구 및 미래 연료 연구소의 독일 항공우주 센터(DLR)에서 개발되었습니다. 펌프7,8,9,10,11,12,13,14. 이러한 시스템은 산소 농도15에도 사용될 수 있으며, 필요한 농도 구배 생성이 CO2 분해보다 에너지 집약도가 훨씬 낮기 때문에 열역학적 관점에서 전기분해에 비해 이점을 제공합니다.