CN103124832B - 用于制造在月球、火星和/或小行星上用于民用的和/或工业的设施的实物资产的工艺及实现该工艺的材料和设备的成套工具 - Google Patents
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Abstract
一种用于制造在月球、火星和/或小行星上用于民用的和/或工业的设施的实物资产的工艺，以及用于实现该工艺的材料和设备的成套工具。这样的成套工具实际上允许通过提供将被应用在月球、火星和/或小行星上的所有材料和设备而实现本发明的工艺，因此有利地且显著地减少成本和材料的量和体积。工艺包括以下步骤：使存在于土壤中的表土富集钛铁矿或铁氧化物，然后将其与铝粉末混合并将所得混合物送至反应室用于建筑构件的获取。
Description
发明领域
本发明涉及一种用于制造在月球、火星和/或小行星上用于民用的和/或工业的设施的实物资产的工艺，以及用于实现该工艺的材料和设备的成套工具。
技术发展现状
众所周知，NASA有兴趣在接下来的40年中承担在小行星、月球和火星上的人类任务。特别是NASA近来已经宣布在2020年时到达月球的任务和在2030年之后到达火星的任务。
特别地，在当前空间探索计划的范围内，缩写ISRU(就地资源利用)和ISFR(就地制造和维修)是众所周知的。第一个缩写涉及使用已经在月球、火星和/或小行星上可得的资源，而第二个缩写解决制造保养和维修技术的开发，这允许更长的人类任务持续时间和成本减少。
在这点上，已经提出了包括使用月球表土和铝粉末的用于制造月球上的拱石类型(voussoir-type)的民用设施的实物资产的工艺(Faierson,E.J.,“Demonstration of concept for fabrication of lunar physical assets utilizinglunar regolith simulant and a geothermite reaction”,Acta Astronautica,67(1-2),2010,38-45)。将包含约67％表土模拟物JSC-1A或JSC-1AF和33％具有低于325目的粒度的铝的混合物放置在具有所需形状的石英坩埚内部。流过嵌在混合物中的Ni-Cr细丝的在18和24A之间的电流，允许在7-15分钟之后获得最终产物。从所述文件中可以注意到，生产实物资产以获得月球上的拱石类型的民用设施包括长的反应时间和大量的铝粉末。还应注意，所提出的制造实物资产以获得民用设施的工艺涉及拱石样设施且排他地限于月球任务。
因此有人认为需要开发用于获得不仅用于民用设施而且用于工业设施的实物资产而没有上述缺点的工艺。
发明概述
上述目的已经通过用于制造在月球、火星和/或小行星上用于民用的和/或工业的设施的实物资产的材料和设备的成套工具来实现，该成套工具包括：
a)至少一个光生伏打板、至少一个电解槽、至少一个电压变压器和基于氢/氧循环的至少一个燃料电池；
b)至少一个挖掘器；
c)至少一个分离器：
i-用于离子轰击的，其包括至少一个静态电极和由Po210源组成的至少一个电离化电极；或
ii-场感应的，其包括由交替的铁磁性盘和非磁性材料组成的至少一个转子和用于颗粒分离的至少一个分配器；
d)至少一个混合器；和
e)至少一个反应室，其设置有样品支持器和至少两个电极、铝粉末、用于封闭反应混合物的至少一个模子和作为触发器的至少一个电阻。
在另一个方面，本发明涉及一种用于制造在月球、火星和/或小行星上用于民用的和/或工业的设施的实物资产的工艺，所述工艺包括以下步骤：
1)在月球、火星和/或小行星上提供如上所述的材料和设备的成套工具；
2)用光生伏打效应生成电；
3)通过挖掘从月球、火星和/或小行星土壤提取表土；
4)用静电富集具有钛铁矿的月球或小行星表土或用磁力富集具有铁氧化物的火星表土；
5)混合如此富集的矿物与铝粉末；
6)通过使用电阻热触发向如此获得的混合物引起自蔓延燃烧反应，因此获得实物资产；和
7)组装实物资产以建造民用的和/或工业的设施。
如从以下详细描述将明显的，材料和设备的成套工具以及采用该成套工具的工艺，通过有利地使用就地资源且因此在经济和操作两者上易化相关任务的布置，而允许产生适合于月球、火星和/或小行星上的民用的和/或工业的设施的实物资产。
附图简述
本发明的特征和优点从以下详细描述、以及为了说明性的和非限制的目的而被提供的工作实施例、和附图将是明显的，在附图中：
-图1示出本发明的工艺的示意图；
-图2示出实施例1的材料的X射线衍射图；
-图3示出实施例2的材料的X射线衍射图；
-图4示出实施例3的材料的X射线衍射图。
发明详细描述
因此，本发明的主题是用于制造在月球、火星和/或小行星上用于民用的和/或工业的设施的实物资产的材料和设备的成套工具，该成套工具包括：
a)至少一个光生伏打板、至少一个电解槽、至少一个电压变压器和基于氢/氧循环的至少一个燃料电池；
b)至少一个挖掘器；
c)至少一个分离器：
i-用于离子轰击的，其包括至少一个静态电极和由Po210源组成的至少一个电离化电极；或
ii-场感应的，其包括由交替的铁磁性盘和非磁性材料组成的至少一个转子和用于颗粒分离的至少一个分配器；
d)至少一个混合器；和
e)至少一个反应室，其设置有样品支持器和至少两个电极、铝粉末、用于封闭反应混合物的至少一个模子和作为触发器的至少一个电阻。
如从本发明的描述以及从实施例将明显的，成套工具的材料和设备允许布置制造在月球、火星和/或小行星上用于民用的和/或工业的设施的实物资产所需要的全部，有利地采用就地资源，因此减少成本以及材料的量和体积两者，材料的量和体积在空间任务期间通常是大的。
根据优选的实施方案，本发明的成套工具包括：
a)用于能量生成和储存的：
·至少一个光生伏打板，其设置有至少一个DCSU(直流开关单元)；
·至少一个再生技术燃料电池，其基于氢/氧循环且基于质子交换膜的使用；
·至少一个电解槽；
·至少一个直流对直流转换器单元(DDCU)；
·至少一个远程电源控制器(RPC)；
·至少一个输出单元(OP，输出板)；
b)用于提取表土的：
·至少一个挖掘器，其设置有：
至少一个动力供应单元(具有至少100kW的电功率)；
至少一个电池充电单元，其与电网和安装在所述挖掘器本身上的光生伏打板两者都连接；
传感器辅助设备(加速度计、安培计)；
自动化和控制辅助设备；
至少一个传输/接收数据单元，其用于远程控制；
c1)用于从月球或小行星表土富集钛铁矿的：
·至少一个离子轰击分离器；
·至少一个转鼓；
·至少一个电离化电极和至少一个静态电极，所述至少一个电离化电极由Po210源组成；
·至少一个传送带和加料斗，其用于表土进料；
·自动化和控制辅助设备；
或
c2)用于从火星表土富集铁氧化物的：
·至少一个场感应分离器；
·至少一个转子，其由交替的铁磁性盘和非磁性材料组成；
·至少一个分配器，其用于颗粒分离；
·至少一个传送带和加料斗，其用于表土进料；
·辅助设备，其用于自动化和控制；
d)用于混合通过利用先前所述的设备的步骤获得的材料的：
·至少一个混合器，其具有水平轴螺旋状物；
·至少一个传送带和加料斗，其用于表土进料；
·自动化和控制辅助设备；
·铝粉末；
e)用于所述混合物的燃烧的：
·至少一个反应室；
·至少一个模子，其用于封闭所述反应混合物；
·辅助设备，其用于触发所述固体燃烧反应(变压器、电极、连接器、电阻)；
·至少一个传送带和加料斗，其用于表土进料；
·自动化和控制辅助设备。
优选地，所述板是具有3000至6000m2，更优选地约4000m2的表面且在彼此垂直的四个表面上延伸的光生伏打系统，每一个表面是约5m×100m长度。光生伏打板由包覆有用于从太阳辐射产生电的电池薄膜的薄聚合物膜制备。依据电角度，所述光生伏打系统优选地被分成能够提供300至800V，更优选地约600V的八个独立部分。在太阳辐射期间产生的能量大于120kW。
就所涉及的部件b)而言，合适的挖掘器可以是由Caruso,JJ等人"Cratos：A Simple Low Power Excavation and Hauling System for LunarOxygen Production and General Excavation Tasks，"2008(http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20080005206_200800.pdf)所描述的挖掘器，其示出通过使用由光生伏打可再充电的电池(按照成套工具的部件a))供电的车辆或独立地借助于封装在相同的车辆上的小的光生伏打系统，可以如何进行初步的和辅助的操作，例如表土挖掘和处理。如从本发明的以下描述将明显的，由所述至少一个光生伏打板生成的电能最初用于向用于从月球、火星和/或小行星土壤提取表土的挖掘器提供能量。所产生的能量然后用于从存在月球或小行星上的表土富集钛铁矿或从火星表土富集铁氧化物。如此富集的表土被送至混合器，用于将其与铝粉末共混。所得到的混合物被输送至反应室，从反应室获得所需的实物资产。
在另一个方面，本发明涉及用于制造在月球、火星和/或小行星上用于民用的和/或工业的设施的实物资产的工艺，该工艺包括以下步骤：
1)在月球、火星和/或小行星上提供如上所述的材料和设备的成套工具；
2)用光生伏打效应生成电；
3)通过挖掘装置从月球、火星和/或小行星土壤提取表土；
4)用静电富集具有钛铁矿的月球或小行星表土或用磁力富集具有铁氧化物的火星表土；
5)混合如此富集的矿物与铝粉末；
6)通过使用电阻热触发向如此获得的混合物引起自蔓延燃烧反应，因此获得实物资产；和
7)组装实物资产以建造民用的和/或工业的设施。
根据本发明的工艺的步骤1)在月球、火星上和/或在小行星上提供如上所述的材料和设备的成套工具。该步骤通过来自地球的空间任务来进行，目的是运输所有必需的材料和设备来执行工艺的随后步骤，即制造在月球、火星和/或小行星上用于民用的和/或工业的设施的实物资产。
应理解，对于成套工具来说被确定为优选的和有利的所有方面相应地被认为对于本发明的工艺来说也是优选的和有利的。
根据本发明的工艺的步骤2)由借助于所述成套工具的至少一个光生伏打板来生成电所组成，如图1所示。特定地，关于成套工具的部件a)，所述至少一个光生伏打板向至少一个电解槽提供能量，所述至少一个电解槽由于所述电贡献而能够进行水电解以产生氢，该氢被储存且又用于供给至少一个燃料电池。因此，实现了利用由至少一个光生伏打板通过在任何时间，甚至在黑暗时间过程中经使用氢而提供的电流的额外的优势。如果需要的话，所获得的能量然后用于供应工艺的随后步骤。
本发明的步骤3)设想通过挖掘，特别是通过使用成套工具的部件b)的挖掘器从月球、火星和/或小行星提取表土。
本发明的步骤4)设想从月球或小行星土壤静电富集钛铁矿或从火星土壤磁力富集铁氧化物。钛铁矿是具有与赤铁矿相似的结构的钛-铁氧化物矿物(FeTiO3)，与赤铁矿是同形的。
就所涉及的从月球或小行星表土富集钛铁矿而言，静电技术用于矿物分离，包括向电极应用合适的电势差以获得可用于矿物分离的约5kV/cm的电场的值。已经观察到，以该方式，可以有效地从表土分离钛铁矿，取决于粒度，具有令人满意的收率。
对月球或小行星土壤的钛铁矿的所述富集通过使用上述成套工具的部件c1)，尤其是通过使用由Po210源、至少一个电离化电极和至少一个静态电极构成的离子轰击分离器来实现。
就所涉及的富集火星表土的铁氧化物而言，矿物使用基于通过应用适当的磁场在颗粒上感应电荷的磁技术来分离。带电颗粒基于保留或除去所获得的电荷的不同倾向来分离。
对火星土壤的铁氧化物的所述富集通过使用上述成套工具的部件c2)，尤其是通过使用包括由交替的铁磁性盘和非磁性材料组成的至少一个转子和用于颗粒分离的至少一个分配器的感应场分离器来实现。
步骤5)设想混合富集有钛铁矿或铁氧化物的表土与铝粉末。
优选地，这样的混合在以下重量比内进行：
-富集有40-66％钛铁矿的75-78％月球或小行星表土，和22-25％铝粉末，或
-富集有45-65％铁氧化物的80-85％火星表土，和15-20％铝粉末。
步骤6)设想通过使用电阻点火在由步骤5)得到的混合物上引起自蔓延的高温燃烧反应。在这样的反应过程期间，反应在点火之后以燃烧波的形式自蔓延，该燃烧波行进通过反应粉末而不需要另外的能量。实际上，从实践的角度，这些方面是极其重要的，因为工艺允许通过需要相当低的外部电贡献的非常简单的反应来获得特征为极好的纯度和机械性能的固体最终产物。
将来自步骤5)、任选地被压实的粉末混合物放入反应室中在电点火源下，电点火源优选地由钨线圈组成，置于距混合物约2mm远处。点火温度通过由电势差生成、以几秒的时间间隔流过电阻的电流获得。在燃烧过程期间，反应温度通常是高的，约2000℃，而燃烧波速度是约0.5cm/s。因此，可以借助于合适的模子来制造所需尺寸和形状的结构资产(structuralasset)。
步骤7)包括组装来自步骤6)的结构资产以建造月球、火星和/或小行星上的民用的和/或工业的设施。所述组装可以通过互锁具有合适形状的结构资产来完成。
为了说明性的和非限制性的目的，本文在下面提供本发明的工作实施例。
实施例
实施例1–根据本发明的实物资产的制备
将1,761g来自Alfa Aesar的钛铁矿(纯度99,8％，粒度-100目，AlfaAesar)、1,697g月球表土JSC-1A(以45微米过筛，Orbitec Technologies)和1,092g铝粉末(纯度99,5％，粒度-325目，Alfa Aesar)适当地混合。借助于以约80巴操作的手动液压机将粉末适度地压实；以该方式，制备具有11mm的直径和2,3cm的高度的圆柱形样品。将样品引入反应室中以在电点火源下进行高温自蔓延燃烧，电点火源由钨线圈制成，置于样品表面上方2mm处。在反应室中应用真空条件以达到低于2,6毫巴的压力水平。然后通过钨线圈对样品热点火，其中由应用到电阻持续最多3s的12V的电势差生成的72A电流在该钨线圈中流动。燃烧前沿速度能够以约0.5cm/s的速度蔓延，而燃烧温度是约2000℃。在反应室内部进行最终产物的冷却，直到室温。
最终产物的表征通过利用X射线衍射仪(XRD)和具有EDS的扫描电子显微术(SEM)来进行。从这些分析，最终产物主要由矾土(Al2O3)、尖晶石(MgAl2O4)和黑铝钙石(CaAl12O19)组成，且存在铁(Fe)和钛(Ti)。
图2示出由本实施例获得的反应物和产物的X射线衍射图。最终产物看起来像具有低孔隙率的深灰色固体。
实施例2–根据本发明的实物资产的制备
将1,363g Fe2O3(纯度+99％，粒度-5微米，Sigma Aldrich)、曾在烘箱中以600℃加热2小时的1,835g火星表土JSC-1A(以45微米过筛，OrbitecTechnologies)、和0,602g铝粉末(纯度99,5％，粒度-325目，Alfa Aesar)适当地混合。借助于以约80巴操作的手动液压机将粉末适度地压实；以该方式，制备具有11mm的直径和2,3cm的高度的圆柱形样品。将样品引入反应室中以在电点火源下进行高温自蔓延燃烧，电点火源由钨线圈制成，置于样品表面上方2mm处。在反应室中应用真空条件以达到低于7毫巴的压力水平。然后通过钨线圈对样品热点火，其中由应用到电阻持续最多3s的12V的电势差生成的72A电流在该钨线圈中流动。燃烧前沿速度能够以约0.5cm/s的速度蔓延，而燃烧温度是约2000℃。在反应室内部进行最终产物的冷却，直到室温。
最终产物的表征通过利用X射线衍射仪(XRD)和具有EDS的扫描电子显微术(SEM)来进行。从这些分析，最终产物主要由矾土(Al2O3)、交沸石(FeAl2O4)和铁(Fe)组成。
图3示出由本实施例获得的反应物和产物的X射线衍射图。最终产物看起来像具有低孔隙率的深灰色固体。
实施例3–根据本发明的实物资产的制备
将1,474g Fe2O3(纯度+99％，粒度-5微米，Sigma Aldrich)、曾在烘箱中以700℃加热2小时的1,718g火星表土MMS(莫哈韦火星表土(MojaveMartian Regolith))(Jet Propulsion Laboratories)和0,604g铝粉末(纯度99,5％，粒度-325目，Alfa Aesar)适当地混合。借助于以约80巴操作的手动液压机将粉末适度地压实；以该方式，制备具有11mm的直径和2,3cm的高度的圆柱形样品。将样品引入反应室中以在电点火源下进行高温自蔓延燃烧，电点火源由钨线圈制成，置于样品表面上方2mm处。在反应室中应用真空条件以达到低于7毫巴的压力水平。然后通过钨线圈对样品热点火，其中由应用到电阻持续最多3s的12V的电势差生成的72A电流在该钨线圈中流动。燃烧前沿速度能够以约0.5cm/s的速度蔓延，而燃烧温度是约2000℃。在反应室内部进行最终产物的冷却，直到室温。
最终产物的表征通过利用X射线衍射仪(XRD)和具有EDS的扫描电子显微术(SEM)来进行。从这些分析，最终产物主要由矾土(Al2O3)和铁(Fe)组成。
图4示出由本实施例获得的反应物和产物的X射线衍射图。最终产物看起来像具有低孔隙率的深灰色固体。
*****
从本发明本身的详细描述和从所提供的工作实施例，本发明的特征和优点是明显的。特定地，上述的成套工具允许通过提供将被应用在月球、火星或小行星上的所有材料和设备而实施本发明的工艺，因此有利地和显著地减少成本和材料的总有效载荷两者以及民用的和/或工业的设施的制造时间，它们全部在空间任务中通常是大的。实际上，因为本发明允许惊人地开采就地可得的资源用于制造民用的和/或工业的设施，所以空间任务在经济和操作两者上被惊人地和有利地简化和易化。
Claims (5)
1.材料和设备的成套工具，所述成套工具用于制造在月球、火星和/或小行星上用于民用的和/或工业的设施的实物资产，所述成套工具包括：
a)至少一个光生伏打板、至少一个电解槽、至少一个电压变压器和基于氢/氧循环的至少一个燃料电池；
b)至少一个挖掘器；
c)至少一个分离器：
i-用于离子轰击的，其包括至少一个静态电极和由Po210源组成的至少一个电离化电极；或
ii-场感应的，其包括由交替的铁磁性盘和非磁性材料组成的至少一个转子和用于颗粒分离的至少一个分配器；
d)至少一个混合器；和
e)至少一个反应室，其设置有样品支持器和至少两个电极、铝粉末、用于封闭反应混合物的至少一个模子和作为触发器的至少一个电阻。
2.根据权利要求1所述的成套工具，包括：
a)用于能量生成和储存的：
·至少一个光生伏打板，其设置有至少一个直流开关单元(DCSU)；
·至少一个再生技术燃料电池，其基于氢/氧循环且基于质子交换膜的使用；
·至少一个电解槽；
·至少一个直流对直流转换器单元(DDCU)；
·至少一个远程电源控制器(RPC)；
·至少一个输出单元；
b)用于提取表土的：
·至少一个挖掘器，其设置有：
至少一个动力供应单元，其具有至少100kW的电功率；
至少一个电池充电单元，其与电网和安装在所述挖掘器本身上的光生伏打板两者都连接；
传感器辅助设备；
自动化和控制辅助设备；
至少一个传输/接收数据单元，其用于远程控制；
c1)用于从月球或小行星表土富集钛铁矿的：
·至少一个离子轰击分离器；
·至少一个转鼓；
·至少一个电离化电极和至少一个静态电极，所述至少一个电离化电极由Po210源组成；
·至少一个传送带和加料斗，其用于表土进料；
·自动化和控制辅助设备；
或
c2)用于从火星表土富集铁氧化物的：
·至少一个场感应分离器；
·至少一个转子，其由交替的铁磁性盘和非磁性材料组成；
·至少一个分配器，其用于颗粒分离；
·至少一个传送带和加料斗，其用于表土进料；
·辅助设备，其用于自动化和控制；
d)用于混合通过利用先前所述的设备的步骤获得的材料的：
·至少一个混合器，其具有水平轴螺旋状物；
·至少一个传送带和加料斗，其用于表土进料；
·自动化和控制辅助设备；
·铝粉末；
e)用于所述混合物的燃烧的：
·至少一个反应室；
·至少一个模子，其用于封闭所述反应混合物；
·辅助设备，其用于触发固体燃烧反应；
·至少一个传送带和加料斗，其用于表土进料；
·自动化和控制辅助设备。
3.根据权利要求1或2所述的成套工具，其中所述至少一个光生伏打板是分布在彼此垂直的四个表面上且分成八个独立部分的具有3000至6000m2的光生伏打电站。
4.用于制造在月球、火星和/或小行星上用于民用的和/或工业的设施的实物资产的工艺，所述工艺包括以下步骤：
1)在月球、火星和/或小行星上提供权利要求1所述的材料和设备的成套工具；
2)用光生伏打效应生成电；
3)通过挖掘装置从月球、火星和/或小行星土壤提取表土；
4)用静电富集具有钛铁矿的月球或小行星表土或用磁力富集具有铁氧化物的火星表土；
5)混合如此富集的矿物与铝粉末；
6)通过使用电阻热触发向如此获得的混合物引起自蔓延燃烧反应，因此获得实物资产；和
7)组装实物资产以建造民用的和/或工业的设施。
5.根据权利要求4所述的工艺，其中步骤5)的所述混合在以下重量比内进行：
-富集有40-66wt％钛铁矿的75-78wt％月球或小行星表土，和22-25wt％铝粉末；
-富集有45-65wt％铁氧化物的80-85wt％火星表土，和15-20wt％铝粉末。
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