郝 劍，李丹明，黨文強(qiáng)，李居平，王仕發(fā)

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 空間環(huán)境材料行為及評價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引言

在太陽系主要天體中，火星的環(huán)境與地球最為相似，最有可能存在過生命或適宜生命繁衍。因此，火星在太陽系探測中占有重要的地位。而載人火星任務(wù)是21世紀(jì)深空探測的重要目標(biāo)，未來不僅是載人登陸火星，而是包括火星殖民及火星地球化[1-5]。

美國、俄羅斯、歐洲在載人火星探測方面都進(jìn)行過研究。早在1952年，美國火箭專家馮·布勞恩就曾提出龐大的載人登火方案構(gòu)想。近些年來美國提出若干個(gè)載人火星的方案構(gòu)想，如NASA的“設(shè)計(jì)參考任務(wù)”系列，羅伯特·祖步林的火星直擊構(gòu)想等。美國在2010年取消原定的2020載人月球任務(wù)，轉(zhuǎn)而支持2030年預(yù)計(jì)執(zhí)行的載人火星任務(wù)。另外民間組織如美國火星協(xié)會也廣泛地分析了載人探測火星的重要問題。目前NASA最先進(jìn)的方案是火星參考設(shè)計(jì)構(gòu)型5.0，該方案以戰(zhàn)神-1、戰(zhàn)神-5和獵戶座為基準(zhǔn)，采用多次發(fā)射、多次對接的方式，設(shè)計(jì)了載人火星探測900天的方案，其中航天員在火星表面停留長達(dá)18個(gè)月，此方案的關(guān)鍵技術(shù)之一則是火星原位資源利用技術(shù)，通過收集火星大氣并制造燃料，確?；鹦巧仙w行器順利升空。俄羅斯早在20世紀(jì)60年代，便制定了一系列載人火星計(jì)劃，包括各種飛往火星的方案。歐空局于2004年公布了自己的火星探測計(jì)劃。荷蘭私人公司MarsOne更是大膽的提出了2026年前后在火星建立永久殖民地的設(shè)想，計(jì)劃中每年將有4位太空人飛往火星，隨后每兩年都會有新移民加入。因此，對于火星探測甚至是殖民化的任務(wù)而言，火星原位資源利用具有必要性。而大氣作為火星無處不在的資源[4]，便成為首要考慮的研究對象。

1 載人火星探測人均消耗品的需求

目前，從地球到火星，有3種軌道可以選擇：霍曼轉(zhuǎn)移軌道、沖點(diǎn)航線、快速合點(diǎn)航線[6]。如圖1所示，霍曼轉(zhuǎn)移軌道需要258天，快速合點(diǎn)航線需要180天，沖點(diǎn)航線需要430天；為了減少載人探測往返過程的時(shí)間，以避免宇航員遭受更多的宇宙射線，經(jīng)受更長時(shí)間的零重力環(huán)境。因此，從地球到火星的航行方案選取往返采用快速合點(diǎn)航行的方式，則總?cè)蝿?wù)時(shí)間為910天，去除往返航行時(shí)間360天，需要在火星上停留550天。910天火星考察人均消耗品需求如表1所示，可以看出，如果所有消耗品都在出發(fā)時(shí)攜帶，則是4 641 kg。如果水和氧氣能夠利用火星資源獲取，則在出發(fā)時(shí)只需攜帶2 013 kg。因此如果能利用火星大氣資源在火星制取550天停留以及返回地球所需的水、燃料，比如甲烷和氧氣等推進(jìn)劑，無論是無人還是載人返回式探測都能大幅降低出發(fā)時(shí)的物資攜帶量。

圖1 前往火星的可選航線示意圖Fig.1 The optional routes to Mars

表1 910天火星考察人均消耗品需求Table1 The demand of per capita consumables for 910 days Mars mission

2 火星大氣原位資源分析

為了獲取水、甲烷和氧氣等必需品，需對火星大氣資源進(jìn)行詳細(xì)分析?；鹦谴髿庵饕ǎ憾趸?5.32%、氮2.7%、氬1.6%、氧0.13%、一氧化碳0.07%、水蒸氣0.03%和一氧化氮0.013%等氣體。95.32%的二氧化碳可提供大部分的碳和氧，既可作為火星上獲取碳元素及其化合物的原料，也可作為獲取氧氣的原料。然而其平均氣壓小于101 kPa的1%，因此必須在實(shí)際反應(yīng)器中將CO2壓縮大約100倍（或更多）。為了從CO2中分離氧氣，需要還原劑，氫氣是最好的選擇，當(dāng)氫氣與CO2反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生CH4和O2，但是氫氣在火星很少。雖然將氫氣從地球輸送到火星是可行的，但是十分困難，另外考慮到質(zhì)量、體積和功率等因素，該方法是不切實(shí)際的。大氣中含有0.03%水蒸氣，如果可以利用這些H2O，便可以提供氫和氧的來源途徑。因此，需分別對二氧化碳和水資源的利用現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

3 火星大氣中二氧化碳和水資源利用技術(shù)

3.1 大氣中二氧化碳資源利用

火星大氣中二氧化碳資源的利用技術(shù)主要包括四種，分別為固態(tài)氧化物電解、逆水-氣變換反應(yīng)、Sabatier反應(yīng)以及綜合利用，下面逐一介紹相關(guān)方法的研究現(xiàn)狀。

3.1.1 固態(tài)氧化物電解

固態(tài)氧化物電解的基本原理：電解質(zhì)材料的氧離子導(dǎo)電會造成氧分離，在溶液中的晶格存在氧空位，這些空位為氧離子在電解質(zhì)中的傳遞提供了導(dǎo)電場所，施加在電解質(zhì)上的直流是氧傳遞的驅(qū)動力，如圖2所示，在陰極電解質(zhì)界面，氧分子分解為氧離子和兩個(gè)負(fù)電荷。氧離子從空位進(jìn)入空位，直至到達(dá)陽極，轉(zhuǎn)化為分子氧，然后分子氧從多孔電極擴(kuò)散出去。

圖2 固態(tài)氧化物電解原理圖Fig.2 The schematic of solid oxide electrolysis

1995-2004年，Sridhar等[7]提出了氧氣處理系統(tǒng)，主要基于大氣中二氧化碳?xì)怏w，采用固態(tài)氧化物電解法制氧，流程如圖3所示。大氣通過過濾器過濾掉灰塵和微粒狀物質(zhì)，通過壓縮系統(tǒng)壓縮到0.1 MPa，然后通過熱交換和加熱系統(tǒng)加熱到1 223 K左右，之后通過電解可產(chǎn)生氧氣和一氧化碳，對產(chǎn)生的氧氣進(jìn)行壓縮、液化和貯存，產(chǎn)生的一氧化碳通過系統(tǒng)排出，二氧化碳則再次循環(huán)利用。同時(shí)重點(diǎn)研究了固態(tài)氧化物電解制氧部分，并研制出相應(yīng)的設(shè)備，如圖4（a）和（b）所示，其中（a）為tube-cell的結(jié)構(gòu)；（b）為disk-cell的結(jié)構(gòu)，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果每天產(chǎn)氧氣7 kg，評估系統(tǒng)的總質(zhì)量為108 kg，所需功率為2.9 kW；如果每天產(chǎn)氧氣2.5 kg，則評估系統(tǒng)的總質(zhì)量為64 kg，所需功率為1.1 kW。

圖3 固態(tài)氧化物電解流程圖[7]Fig.3 The schematic of solid oxide electrolysis[7]

圖4 Tube-cell方案和disk-cell方案設(shè)計(jì)圖Fig.4 Tube-cell plan and disk-cell design plan

2004年NASA提出了用于火星返回和載人探測任務(wù)的系統(tǒng)如圖5所示[8]，該系統(tǒng)結(jié)合了水電解反應(yīng)。首先對二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行壓縮，基于固態(tài)氧化物電解法制氧氣；其次，通過水電解法制氫氣；最后基于前兩個(gè)部分的產(chǎn)物制造甲烷。整個(gè)系統(tǒng)中的產(chǎn)物：甲烷用于燃料，氧氣則用于生命支持。

圖5 NASA提出的固態(tài)氧化物電解方法流程圖Fig.5 The schematic of solid oxide electrolysis proposed by NASA

2016年，美國Meyen等[9]提出了一種可用于NASA于2020年探測火星的氧氣原位資源利用設(shè)備。該設(shè)備是一個(gè)小型的氧氣產(chǎn)生裝置，如圖6所示，主要包括：二氧化碳收集和壓縮系統(tǒng)（CAC）、固態(tài)氧化物電解系統(tǒng)（SOXR）、監(jiān)控和控制系統(tǒng)（MCS）。主要聚焦SOXR系統(tǒng)的研究，同樣基于固態(tài)氧化物電解法對二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行電解制氧。

圖6 固態(tài)氧化物電解設(shè)備組成圖[9]Fig.6 The composition diagram of equipment of solid oxide electrolysis[9]

3.1.2 逆水-氣（RWGS）變換反應(yīng)

逆水-氣（RWGS）變換反應(yīng)的主要過程如式（1）：

1997年，Zubrin等[10]研制了RWGS反應(yīng)器樣機(jī)，并開展了試驗(yàn)研究，該過程集成了水電解反應(yīng)，流程如圖7所示?？刂七@個(gè)過程需要注意很多細(xì)節(jié)，以確保流速和熱傳遞率的合理性。如RWGS系統(tǒng)僅使用來自每個(gè)二氧化碳分子的一個(gè)氧分子，并且釋放出一個(gè)CO分子。因此，在相同的轉(zhuǎn)化效率下，對于加壓CO2的效果將是Sabatier過程效果的兩倍。這將對提供加壓CO2的壓縮機(jī)提出更大的要求。

圖7RWGS反應(yīng)流程圖Fig.7 The schematic of RWGS

3.1.3 Sabatier反應(yīng)

Sabatier反應(yīng)的主要過程如式（2）[11-12]：

1997年，Clark等[3]將Sabatier和水電解反應(yīng)集成，反應(yīng)流程如圖8所示。這個(gè)過程可以在更緊湊的裝置中工作。其最大優(yōu)點(diǎn)是，系統(tǒng)具有高轉(zhuǎn)換效率、良好的能量、可靠的啟動和關(guān)閉功能。該系統(tǒng)的設(shè)定操作為12天，每天產(chǎn)甲烷和氧氣至少6 h，對于兩種反應(yīng)物，運(yùn)行效率超過99%，反應(yīng)器處理30 g/h的 CO2，可產(chǎn)生 21.5 g/h的O2和 10.8 g/h的CH4。

2004年NASA提出了類似的系統(tǒng)，主要用于火星返回和載人探測任務(wù)[8]。提出的系統(tǒng)如圖9所示，通過軟件模擬發(fā)現(xiàn)，氧氣和甲烷的最佳產(chǎn)生比例為3.5∶1，而目前單獨(dú)的Sabatier反應(yīng)輸出二者的比例為2∶1，無法滿足要求。

圖8 Sabatier反應(yīng)流程圖[3]Fig.8 The schematic of the Sabatier[3]

圖9 NASASabatier反應(yīng)流程圖Fig.9 The schematic of the Sabatier proposed by NASA

3.1.4 綜合利用

1997-1998年，Zubrin等[3]對RWGS反應(yīng)和Sabatier反應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證和分析，圖10給出了反應(yīng)物和生成物中各種化學(xué)組分隨溫度的變化。將二氧化碳和氫氣分別以44 mg/s和2 mg/s的流速放入反應(yīng)器中，在繪圖之前將二氧化碳流速除以2，以降低垂直刻度的高度。在較低的溫度條件下（200～300℃），幾乎所有的氫都用于生成甲烷和水，二氧化碳減少相應(yīng)的量值，這一區(qū)域?yàn)镾abatier反應(yīng)區(qū)域，此時(shí)未生成CO。相反的，在高溫區(qū)域（＞650℃），CO和H2O是主要生成物，甲烷生成量極少，但幾乎一半的CO2和H2未參與反應(yīng)，而隨生成物一起流出，這是RWGS區(qū)域。

2004年，NASA提出了用于火星返回和載人探測任務(wù)的綜合利用系統(tǒng)[8]，如圖11所示，原理同上。最后生成甲烷用于燃料，氧氣用于生命補(bǔ)給。

圖10 反應(yīng)物和生成物中各種化學(xué)組份隨溫度的變化曲線Fig.10 The variations of the chemical components in the reactants and products with temperature

圖11 NASA綜合利用流程圖Fig.11 The schematic of the comprehensive utilization proposed by NASA

2007年P(guān)acific Northwest National Laboratory[13]實(shí) 驗(yàn)室研究人員設(shè)計(jì)了用于火星原位資源利用的微通道裝置，包括Sabatier反應(yīng)和RWGS反應(yīng)，其設(shè)計(jì)的流程如圖12所示。該研究的焦點(diǎn)是兩個(gè)反應(yīng)的催化劑。研究發(fā)現(xiàn)3%的Ru/TiO2（R/A=60∶40）和6%的Ru/CeO2-ZrO2作為催化劑，兩個(gè)反應(yīng)的效率較高。該實(shí)驗(yàn)室同樣做過一個(gè)實(shí)驗(yàn)，關(guān)于載人往返火星所需的氧氣和甲烷（燃料）的概念性研究，研究結(jié)果顯示二者的比率為3.8∶1的時(shí)候，為最佳的狀態(tài)，優(yōu)化了前面提到的3.5∶1的比例。

圖12 用于火星原位資源利用的微通道裝置綜合反應(yīng)流程圖Fig.12 The schematic of the comprehensive reaction for microchannel device used for Mars in situ resourch utilization

同年，該實(shí)驗(yàn)室研究了微通道RWGS和Sabatier反應(yīng)器[14]，如圖13所示。微通道Sabatier反應(yīng)由一體化冷卻和反應(yīng)通道組成，體積小于100 cm3，質(zhì)量為175 g，如圖13（a）所示，最終在400 ℃下可實(shí)現(xiàn)70%～80%二氧化碳的轉(zhuǎn)化率，產(chǎn)生0.012 5 kg/h甲烷，Sabatier過程產(chǎn)生的氧氣和甲烷的質(zhì)量比為2∶1。為了實(shí)現(xiàn)氧氣和甲烷3.8∶1的比例，同時(shí)研究了RWGS反應(yīng)，該系統(tǒng)包含30個(gè)微通道，如圖13（b）所示，當(dāng)溫度為700℃，經(jīng)過36 ms，可產(chǎn)生0.09 kg/h的氧氣。最后對上述兩個(gè)通道進(jìn)行設(shè)計(jì)、集成，如圖13（c）所示，集成后的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氧氣和甲烷3.8∶1的比例。

3.1.5 二氧化碳資源利用分析

如表2所列，上述四種方案均有相應(yīng)的小型化設(shè)備。考慮NASA給出氧氣和甲烷的3.8∶1的最佳比例，因此主要建議考慮兩種：一種是固態(tài)氧化物電解+水電解；另一種是RWGS反應(yīng)+Sabatier反應(yīng)+水電解。前者的難點(diǎn)是反應(yīng)溫度要求較高，后者的難點(diǎn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)較復(fù)雜。因此，在后續(xù)的研究中可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

圖13 微通道RWGS和Sabatier對應(yīng)器設(shè)備圖Fig.13 Microchannel RWGS and Sabatier corresponding device diagram

表2 火星二氧化碳資源利用Table2 The utilization summary of carbon dioxide

3.2 大氣中的水蒸氣

1997年，華盛頓大學(xué)亞當(dāng)·布魯克納教授和學(xué)生開發(fā)了一個(gè)從火星“空氣”中吸收水氣的概念，如圖14（a）所示，該設(shè)計(jì)僅具有六個(gè)部件：過濾器、風(fēng)扇、吸附床、再生單元、冷凝器和主動控制系統(tǒng)。沸石的設(shè)計(jì)如圖（b）所示，其過程是：首先將顆粒狀吸附劑裝入盤形床，其被徑向分成扇區(qū)，每一個(gè)扇形區(qū)用絕緣分隔器與其他部分密封，以防止橫向熱；其次沸石能夠吸附自身質(zhì)量20%的水，然后對吸附飽和的沸石進(jìn)行烘烤（電阻加熱或用微波實(shí)現(xiàn)），進(jìn)而收集水。然而沸石的吸附是有限的，所以吸附-釋放循環(huán)必然是間歇過程。對于火星上的水蒸氣吸附，吸附劑的直徑選擇略大于水分子。目前，該設(shè)計(jì)主要處于理論階段，且通過大氣取水量是有限的，因此仍需研究其他的方式。

圖14 火星大氣取水設(shè)計(jì)圖Fig.14 The schematic of extraction water resources from Mars atmosphere

4 大氣原位資源利用技術(shù)分析

ISRU技術(shù)可應(yīng)用于制造推進(jìn)劑和維持生命的水和氧氣。如果能夠成功利用火星大氣中的水蒸氣，則可利用開采的水進(jìn)行電解制備氫氣和氧氣：

如果能夠成功提純火星大氣中的二氧化碳，則可利用固態(tài)氧化物電解法制氧氣，反應(yīng)如式（4）：

同時(shí)，可利用薩巴蒂爾反應(yīng)生成甲烷和水，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，能夠在鎳和釕的催化下自行反應(yīng)，無需提供其他能量。也可利用式（1）逆水煤氣變換反應(yīng)產(chǎn)生水和一氧化碳，該反應(yīng)輕度吸熱，不需要太大能量，溫度要求是400℃，完全在薩巴蒂爾反應(yīng)的溫度之內(nèi)，可利用薩巴蒂爾反應(yīng)式（2）放出的熱來保持運(yùn)行，也可利用其他化學(xué)過程產(chǎn)生的熱量。

乙烯（C2H4）既是一種高效的燃料，也是生產(chǎn)塑料制品的重要原料，產(chǎn)生的一氧化碳和電解水獲得的氫氣在鐵催化劑的作用下可生成乙烯：

該反應(yīng)過程中會釋放大量的熱，可為“逆水-氣變換反應(yīng)”提供熱量。與甲烷相比，乙烯作為燃料在火星上具有四個(gè)優(yōu)勢：

（1）乙烯每個(gè)C上有兩個(gè)H，而甲烷有4個(gè)H，因此，制造時(shí)需要一半的氫或水；

（2）乙烯的沸點(diǎn)比甲烷高（在101 kPa下是-104℃，而甲烷是-183℃），所以乙烯在幾個(gè)大氣壓下不需要使用超低溫冷卻系統(tǒng)就可以液化，而甲烷不行，甲烷/氧氣推進(jìn)劑生產(chǎn)系統(tǒng)所需的冷藏能量高于乙烯/氧氣推進(jìn)劑生產(chǎn)系統(tǒng)；

（3）液化乙烯比液化甲烷的密度和燃燒值大，因此使用液化乙烯能使燃料艙更小更輕；

（4）乙烯除了作為燃料，還可以用作麻醉劑、火星種植用的水果催熟劑等。

綜上所述，大氣中二氧化碳的含量較高，但是水的含量有限，如果能通過土壤、冰蓋等方式獲取更多的水[15-16]，那么只要提供電力就可以源源不斷的制造氧氣、甲烷、乙烯等燃料。對于面向地火往返的火星探測任務(wù)來說，只要能夠在火星上實(shí)現(xiàn)上述反應(yīng)就可以為返回火箭的燃料罐裝滿來自火星的甲烷和氧氣，同時(shí)能為宇航員至少為期550天的火星活動和180天的返回艙生活提供呼吸所需的氧氣。

5 結(jié)論

50余年的火星探測幫助研究者逐步加深對火星的認(rèn)知，有望在未來開展火星探測時(shí)，利用原位資源利用技術(shù)，將火星物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化為任務(wù)所需的消耗品，大幅降低對地球的依賴，從而降低火星探測成本。通過對國外火星大氣中的二氧化碳和水資源利用技術(shù)進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

（1）大氣中二氧化碳資源利用?？紤]NASA給出氧氣和甲烷的3.8∶1的最佳比例，主要建議考慮兩種利用方式：一種是固態(tài)氧化物電解+水電解；另一種是RWGS反應(yīng)+Sabatier反應(yīng)+水電解；

（2）大氣中的水資源利用。由于含水量較低，不足以支撐所有的水資源利用，建議采取土壤或冰蓋等取水方式。

該研究在未來火星采樣返回甚至更遠(yuǎn)的載人火星探測活動中具有非常多的應(yīng)用潛力。如載人地火往返、生保物資補(bǔ)給、燃料運(yùn)輸與利用、能源供應(yīng)和有人基地建造、運(yùn)行和維護(hù)等方面。

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[6]朱毅麟.載人火星航行方案初探[C]//中國空間科學(xué)學(xué)會空間探測專業(yè)委員會第十四次學(xué)術(shù)會議論文集，2001：72-82.

[7]Sridhar K R.Mars sample return mission with in-situ resource utilization[J].Journal of Propulsion&Power，2015，11（6）：1356-1362.

[8]Sridhar K，Iacomini C，F(xiàn)inn J.Combined H2O/CO2solid oxide electrolysis for mars in situ resource utilization[J].Journal of Propulsion&Power，2004，20（5）：892-901.

[9]HoffmanJA，RappD，HechtM.The marsoxygen ISRU experiment（MOXIE）on the Mars 2020 rover[C]//AIAA SPACE 2015Conference and Exposition，2016：82-87.

[10]Zubrin R，Clapp M，Meyer T，et al.New approaches for Mars in-situ resource utilization based on the reverse water gas shift[C]//Aerospace Sciences Meeting and Exhibit，2013：497-504.

[11]艾尚坤，周定，孫金鏢，等.Sabatier反應(yīng)低溫催化劑研究[J].航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，1999，13（4）：277-280.

[12]Spina L，Lee M C.Comparison of CO2reduction process-Boschand Sabatier[R].SAE851343，1986：262-271.

[13]Hu J，Brooks K P，Holladay J D，et al.Catalyst development for microchannel reactors for martian in situ propellant production[J].Catalysistoday，2007，125（1/2）：103-110.

[14]Holladay J D，Brooks K P，Wegeng R，et al.Microreactor development for Martian in situ propellant production[J].Catalysistoday，2007，120（1）：35-44.

[15]Do S，Owens A，Ho K，et al.An independent assessment of the technical feasibility of the Mars One mission plan–Updatedanalysis[J].Acta Astronautica，2016，120：192-228.

[16]Powell J，Maise G，Powell J，et al.ALPH：A low risk，cost effective approach for establishing manned bases and colonies onmars[C]//Space，2005：1-16.