DE102021121911A1

DE102021121911A1 - Thermochemisches Verfahren und kompakte Apparatur zur Aufkonzentration von Sauerstoff in extraterrestrischen Atmosphären

Info

Publication number: DE102021121911A1
Application number: DE102021121911.6A
Authority: DE
Inventors: Josua Vieten; Dorottya Kriechbaumer; Lena Klaas; Martin Roeb
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2021-08-24
Filing date: 2021-08-24
Publication date: 2023-03-02
Also published as: WO2023025782A1; EP4392364A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufkonzentration von Sauerstoff in extraterrestrischen Atmosphären mit geringer Sauerstoffkonzentration unter Verwendung eines thermochemischen Kreisprozesses sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufkonzentration von Sauerstoff in extraterrestrischen Atmosphären mit geringer Sauerstoffkonzentration unter Verwendung eines thermochemischen Kreisprozesses sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Erzeugung von Sauerstoff außerhalb der Erdatmosphäre ist ein entscheidender Faktor für zukünftige bemannte Raumfahrtmissionen. Die Rückkehr von Astronauten zur Erde erfordert große Mengen an Treibstoff und in der Regel Sauerstoff als Oxidationsmittel für entsprechende Raketentriebwerke. Außerdem wird Sauerstoff bei bemannten Missionen zur Lebenserhaltung und ggf. für wissenschaftliche Experimente benötigt.
Voraussichtlich wird die erste bemannte Raumfahrtmission außerhalb des Erdsystems zum Planeten Mars führen und in den 20er- bis 30er-Jahren des 21. Jahrhunderts durchgeführt werden. Entsprechende Missionen sind unter anderem von der NASA und durch das Unternehmen SpaceX geplant. Beide Organisationen planen die Herstellung von Sauerstoff vor Ort auf dem Mars in einer unbemannten Mission, die der bemannten Mission vorausgehen soll. Die Herstellung von Sauerstoff auf dem Mars wird zudem ggf. bereits zur unbemannten Rückführung von Proben vom Planeten Mars zur Erde benötigt (Mars Sample Return).
Das Unternehmen SpaceX plant die Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff auf dem Mars durch Abbau von Wassereis und Elektrolyse des Wassers mit Strom, welcher aus Solarenergie gewonnen wird. Der Wasserstoff soll dann im Sabatier-Verfahren mit Kohlenstoffdioxid aus der Marsatmosphäre zu Methan umgesetzt werden, während der Sauerstoff als Oxidationsmittel für den Rückflug gespeichert wird. [Präsentation von Elon Musk vom 29. September 2017 am 68. International Astronautical Congress in Adelaide, Australien, Treibstoffproduktion ab 33:50,_https://www.youtube.com/watch?v=tdUX3ypDVwI]
Die amerikanische Raumfahrtbehörde NASA plant die Herstellung von Sauerstoff auf dem Mars durch Elektrolyse von CO₂ aus der Atmosphäre des Mars. Durch das elektrische Potential wird CO₂ dabei in O₂ und CO gespalten. Dieses Verfahren wird derzeit an Bord des Mars-Rovers Perseverance im Rahmen des MOXIE-Experiments erprobt. [M. Hecht, J. Hoffman, D. Rapp, J. McClean, J. SooHoo, R. Schaefer, A. Aboobaker, J. Mellstrom, J. Hartvigsen, F. Meyen, E. Hinterman: Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE). In: Space Science Reviews. 217, Nr. 1, 6. Januar 2021.] Am 20.04.2021 gelang erstmals die Produktion von 5,37 g Sauerstoff innerhalb einer Stunde aus der Marsatmosphäre. [Pressemitteilung der NASA, 21.04.2021,
https://www.nasa.gov/press-release/nasa-s-perseverance-mars-rover-extracts-first-oxygen-from-red-planet]
In einer späteren Mission soll eine hochskalierte Version des MOXIE-Instruments mit einer Masse von etwa einer Tonne mindestens 2 kg O₂/h erzeugen.
Neben der Elektrolyse von CO2 gibt es auch weitere Verfahren, um Sauerstoff zu erzeugen. An den Instituten für Solarforschung und Future Fuels des DLR wurden in den letzten Jahren Technologien zur thermochemischen Luftzerlegung entwickelt. Dabei stand vor allem die Erzeugung von Stickstoff im Vordergrund, sowie die Entfernung von Sauerstoff bei der Reduktion von Metalloxiden in thermochemischen Verfahren zur Wasserspaltung und CO₂-Spaltung und die Speicherung von Sauerstoff (Sauerstoffpumpe). [J. Vieten, B. Bulfin, F. Call, M. Lange, M. Schmücker, A. Francke, M. Roeb, C. Sattler: Perovskite oxides for application in thermochemical air separation and oxygen storage. In: J. Mater. Chem. A, 4, 13652-13659, 2016] Derartige Systeme können jedoch auch zur Erzeugung bzw. Aufkonzentration von Sauerstoff eingesetzt werden. [J. Felinks, M. Lange, F. Call, Patentanmeldung DE102013209658A1 ]
Das zugrundeliegende chemische Verfahren basiert auf dem temperaturabhängigen chemischen Potential von Sauerstoff an multivalenten Metalloxiden. Derartige Metalloxide im oxidierten Zustand MO_ox, beispielsweise Perowskite oder Cobaltoxide, geben im thermodynamischen Gleichgewicht bei Erhöhung der Temperatur und/oder Absenkung des Sauerstoffpartialdrucks unter Reduktion zum reduzierten Zustand MO_red Sauerstoff ab: MO_ox → MO_red + O₂ (1)
Das reduzierte Metalloxid kann dann bei niedrigerer Temperatur und/oder höherem Sauerstoffpartialdruck wieder Sauerstoff aufnehmen und wird so reoxidiert: MO_red + O₂ → MO_ox (2)
Die Temperatur des Oxidationsschritts liegt typischerweise zwischen 250 und 600 °C, der Reduktionsschritt wird bei 500 bis 1000 °C durchgeführt.
Insgesamt wird das Metalloxid also nicht verbraucht und dient als reversibler Sauerstoffträger. Der Sauerstoffpartialdruck muss bei Oxidation und Reduktion nicht gleich sein. So kann beispielsweise aus der Luft Sauerstoff entfernt und hochreiner Stickstoff zur Ammoniakerzeugung gewonnen werden (siehe DLR-Projekte CaFeLaTe, DÜSOL und SESAM). Es ist allerdings auch möglich, den Oxidationsschritt unter niedrigen Sauerstoffpartialdrücken durchzuführen, und Sauerstoff mit hohem Partialdruck bei hohen Temperaturen wieder freizusetzen (Sauerstoffkonzentrator, Aufkonzentration). Die Temperaturen und Sauerstoffpartialdrücke, unter denen die Reaktionen (1) und (2) ablaufen, werden dabei von den thermodynamischen Eigenschaften des jeweiligen Metalloxids bestimmt, insbesondere von dessen Redoxenthalpie. Die praktische Untergrenze der Oxidationstemperatur wird von der Oxidationskinetik des entsprechenden Materials bestimmt, da bei zu niedrigen Temperaturen die Reaktion für die technische Anwendung zu langsam ablaufen würde.
Viele Metalloxide, insbesondere Perowskite, erlauben auch die gleichgewichtsabhängige stufenlose (nichtstöchiometrische) Reduktion und Oxidation unter Bildung bzw. Füllung von Sauerstoffleerstellen.
Der Energiebedarf der thermochemischen Luftzerlegung bzw. Sauerstoffkonzentration liegt dabei theoretisch am thermodynamischen Limit des entsprechenden Trennungsprozesses und damit weit unter dem Energiebedarf der CO₂-Spaltung. In der Praxis kann jedoch die zur Reduktion notwendige Wärmeenergie nicht vollständig zurückgewonnen werden.
In den meisten Fällen wird die Energie zum Betrieb von Raumsonden auf dem Planeten Mars und im äußeren Sonnensystem durch sogenannte Radionuklidbatterien erzeugt. Dabei wird die Zerfallswärme eines Radionuklids, in der Regel ²³⁸Pu genutzt, um über einen thermoelektrischen Generator Strom zu erzeugen. Der Wirkungsgrad eines solchen Generators liegt im einstelligen Prozentbereich, allerdings ist die Stromerzeugung sehr zuverlässig über viele Jahre oder Jahrzehnte möglich, da beispielsweise das Plutoniumisotop ²³⁸Pu eine Halbwertszeit von 87,7 Jahren aufweist.
Alternativ ist auch die Erzeugung von Wärme durch den Zerfall radioaktiver Isotope zu Heizzwecken möglich, was bereits bei zahlreichen unbemannten Missionen ins äußere Sonnensystem (z.B. Voyager-Sonden) umgesetzt wurde, um die Auskühlung wichtiger elektronischer Instrumente zu verhindern.
Zur Sauerstofferzeugung auf dem Mars in Vorbereitung einer bemannten Mission mit einem hochskalierten Nachfolgeinstrument von MOXIE könnte eine nukleare Energiequelle mit einer elektrischen Leistung von 25-30 kW eingesetzt werden. [https://www.popularmechanics.com/space/moonmars/a35512066/nasa-moxie-perseverance-rover] Unter Berücksichtigung des typischen Wirkungsgrads thermoelektrischer Generatoren würden dabei ca. 300 bis 400 kW an Wärmeenergie durch die Zerfallswärme des radioaktiven Plutoniumisotops erzeugt, was bei einer Wärmeabgabe von etwa 0,57 W/g [Miotla, Dennis, 21.04.2008, „Assessement of Plutonium-238 production alternatives“, https://www.energy.gov/sites/prod/files/NEGTNONEAC_PU-238_042108.pdf] einer Masse von 500-700 kg ²³⁸Pu entspricht.
Alternativ könnte Solarenergie eingesetzt werden, wobei durch die gegenüber der Erde in etwa halbierte Strahlungsleistung der Sonne und der auf die Tageszeit limitierten Stromerzeugung Solarpaneele mit einer Fläche von weit über 1000 m² eingesetzt werden müssten (10 m² pro kW_peak auf der Erde, 20 m² pro kW_peak auf dem Mars, Durchschnittsleistung pro Marstag ist ein Bruchteil der Peakleistung), um eine durchschnittliche Leistung von 25-30 kW zu erreichen, unter der Annahme, dass die Photovoltaikzellen staubfrei gehalten werden können.
Als alternative Quelle für elektrische Energie wird derzeit seitens der NASA im „Kilopower“-Projekt die Nutzung von Kernreaktoren erprobt. Damit kann leichter eine höhere Leistung erzielt werden, und es ist kein ²³⁸Pu erforderlich. Allerdings ist dafür derzeit die Verwendung von hoch angereichertem Uran 235 vorgesehen (HEU), und die Erzeugung von 25-30 kW elektrischer Leistung erfordert mehrere Reaktoren. [NASA-Website, „Powering Up NASA's Human Reach for the Red Planet“, abgerufen am 26.04.2021, https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/feature/Powering_Up_NASA_Human_Reach for the_Red_Planet].
Die derzeit geplante Sauerstofferzeugung auf dem Planeten Mars durch Spaltung von CO₂ mittels Elektrolyse (NASA) hat mehrere Nachteile:
1. Hoher Bedarf an elektrischer Energie
Der veranschlagte Bedarf von 25-30 kW elektrischer Energie kann aus Radionuklidbatterien nur unter Einsatz erheblicher Mengen ²³⁸Pu gedeckt werden. Derartig leistungsfähige Radionuklidbatterien wurden bisher weder auf der Erde noch in Weltraummissionen eingesetzt. Wie oben erwähnt, sind nach Stand der Technik 500-700 kg Plutonium erforderlich. Unter Berücksichtigung der Leistungsabnahme durch teilweisen Zerfall bis zur Ankunft auf dem Mars und notwendiger Leistungsreserven wäre entsprechend ca. eine Tonne ²³⁸PuO₂ (Plutonium (IV)-oxid) erforderlich. Selbst wenn alternativ zu thermoelektrischen Generatoren Sterlinggeneratoren eingesetzt werden, wäre zur Bereitstellung der notwendigen Leistung noch immer eine Plutoniummenge im unteren dreistelligen Kilogrammbereich notwendig.
Derartige Mengen an Plutonium-238 können derzeit nirgendwo auf der Welt in annehmbaren Zeitskalen produziert werden. Bei der Beschaffung dieses Plutoniumisotops besteht derzeit eine hohe Abhängigkeit von Russland, wobei die Produktion in den USA angedacht ist - allerdings nur bis zu 5 kg ²³⁸Pu pro Jahr. [Miotla, Dennis, 21.04.2008, „Assessement of Plutonium-238 production alternatives“, https://www.energy.gov/sites/prod/files/NEGTNONEAC_PU-238_042108.pdf] Die Produktion von ²³⁸Pu ist zudem sehr teuer und energieaufwändig.
Die Radioaktivität und Giftigkeit des Plutoniums erfordern weiterhin eine wirksame Abschirmung der Strahlung und Hitzeschilde, die bei einem außerplanmäßigen Absturz des Raumschiffs auf die Erde die Freisetzung signifikanter Mengen an Plutonium in die Umwelt verhindern.
In der Zusammenschau scheint die Bereitstellung derartiger Mengen an elektrischer Energie mittels Radionuklidbatterien auf dem Mars aus Gründen der Produktionskapazitäten, politischen und Kostengründen in absehbarer Zeit nicht realisierbar.
Die Nutzung von Kernreaktoren (Kilopower) oder Solaranlagen erscheint im Vergleich realistischer, auch wenn das Gewicht einer entsprechenden Gesamtanlage noch immer sehr hoch erscheint und der Transport zum Mars somit aufwändig ist.
Da jegliche nukleare Form der Energieerzeugung primär Wärmeenergie erzeugt und diese relativ ineffizient in elektrische Energie umgewandelt wird, ist es, insbesondere in Anbetracht der Kosten des Transports zum Mars, deutlich kostengünstiger und effizienter, einen Prozess zur Sauerstofferzeugung zu verwenden, der die direkte Nutzung von Wärmeenergie ohne Umwandlungsverluste ermöglicht.
2. Hohes Gewicht und Volumen
Eine ausreichend dimensionierte Anlage zur Sauerstofferzeugung mittels elektrochemischer CO₂-Spaltung hätte eine Masse von ca. 1 Tonne und ein Volumen von ca. 1 m³. [M. Hecht et al., a.a.O.] Darin ist der Generator zur Erzeugung der notwendigen elektrischen Energie (siehe oben) noch nicht enthalten. Da der Transport von Material zur Marsoberfläche sehr aufwändig und teuer ist, sollte dessen Gewicht und Volumen möglichst minimiert werden.
3. Aufwändiges Anlagendesign
Die nach Stand der Technik geplante festköperelektrolytische Zerlegung von CO₂ erfordert recht empfindliche und aufwändig zu konstruierender Komponente. Dabei ist insbesondere die Entfernung von Staub aus der Mars-luft entscheidend, um einen Schaden an der Anlage zu vermeiden. [M. Hecht et al., a.a.O.] Bei einem mehrere Monate andauernden Betrieb unter realen Bedingungen auf der Marsoberfläche besteht ein hohes Ausfallrisiko.
Die derzeit geplante Sauerstofferzeugung auf dem Planeten Mars durch Wasserelektrolyse (SpaceX) hat vergleichbare Nachteile. Auch hier ist ein großer Bedarf an elektrischer Energie vorhanden, welcher zu den oben genannten Nachteilen führt. Auch die Anlage zur Wasserelektrolyse ist groß, schwer, und aufwändig. Allerdings besteht im Vergleich zur vorher genannten Option die Möglichkeit, direkt im Sabatier-Verfahren aus dem produzierten Wasserstoff Methan als Treibstoff zu erzeugen. Dennoch werden große und teure Anlagen benötigt, die zudem ein hohes Ausfallrisiko haben.
Es besteht daher Bedarf an einem Verfahren zur Bereitstellung von Sauerstoff in einer extraterrestrischen Atmosphäre, welches die sich aus dem Stand der Technik ergebenden Nachteile möglichst vermeidet. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass es ein thermochemischer Kreisprozess ermöglicht, auch bei geringen Sauerstoffpartialdrücken effektiv zu arbeiten und Sauerstoff so gewonnen werden kann. In einer ersten Ausführungsform wird die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe daher gelöst durch ein Verfahren zur Aufkonzentration von vorhandenem Sauerstoff in extraterrestrischen Atmosphären mit Hilfe eines thermochemischen Kreisprozesses, wobei ein Gasstrom mit einem Sauerstoffpartialdruck von 10^-4 bar oder weniger mit einem Redoxmaterial in seiner reduzierten Form MO_red in Kontakt gebracht wird, wodurch dieses Redoxmaterial zumindest teilweise zu MO_ox oxidiert wird und in einem weiteren Schritt der Sauerstoff vom Redoxmaterial in seiner oxidierten Form MO_ox wieder entfernt wird, wodurch Sauerstoff (O₂) erhalten wird.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit eine Aufkonzentration von vorhanden Sauerstoff in extra terrestrischen Atmosphären. Insbesondere bei Marsmissionen, welche aktuell von unterschiedlichen Raumfahrtbehörden geplant werden, kann das erfindungsgemäße Verfahren Anwendungen finden. Hierbei wird die Temperatur und Sauerstoff Partialdruck abhängiger Affinität von multivalenten Metalloxiden zur Sauerstoff Bindung genutzt.
Die Metalloxide dienen erfindungsgemäß als Redoxmaterial. Dies bedeutet, dass diesen Materialien sowohl einen oxidierten als auch einen reduzierten Zustand aufweisen, in welchem sie stabil sind. Das Redoxmaterial legt zunächst in seiner reduzierten Form MO_red vor. Wird es in dieser Form mit Sauerstoff in Kontakt gebracht, erfolgt eine Oxidation. Dabei wird Sauerstoff gebunden, wobei dies nicht notwendigerweise stichometrisch erfolgen muss. Die so erhaltene oxidierte Form des Redoxmaterials wird mit MO_ox bezeichnet.
Durch eine Anpassung der Temperatur, kann das Redoxmaterial aus seiner oxidierten Form wieder in seine reduzierte Form überführt werden. Hierdurch wird dann Sauerstoff freigesetzt. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass diese Reaktion, welche bereits zur Zerlegung von Luft in der Erdatmosphäre beschrieben ist, auch bei äußerste geringen Sauerstoffpartialdrücken von 10^-4 bar oder weniger erfolgreich durchgeführt werden kann.
So ist das erfindungsgemäße Verfahren auch bespielweise auf dem Mars anwendbar. Ein mittlerer Sauerstoffpartialdruck für die Marsatmosphäre kann mit etwa 8,4 · 10^-6 bar angegeben werden. Auch ein solcher Sauerstoffpartialdruck ist ausreichend, um eine Aufkonzentration von Sauerstoff mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu ermöglichen.
Insbesondere bei Atmosphären, aus welchen der Gasstrom wird, der dann mit dem Redoxmaterial in Kontakt gebracht wird, welche einen hohen Anteil an Kohlenstoffdioxid CO₂ aufweisen, ist es bevorzugt, wenn das Redoxmaterial derart ausgewählt ist, dass es keine Carbonate ausbildet, insbesondere keine Carbonate, die bei den Temperaturen, bei denen das Redoxmaterial reduziert beziehungsweise oxidiert wird, stabil sind. Reagiert das Redoxmaterial mit CO₂ zu einem Carbonat, steht es üblicherweise nicht mehr für die Reaktion mit Sauerstoff zur Verfügung, es kann also nicht mehr oxidiert und reduziert werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass Perowskite grundsätzlich effektiv sind, um als Redoxmaterial in einem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt zu werden. Durch die Auswahl an Perowskiten kann auch die Bildung von Carbonaten, insbesondere von stabilen Carbonaten, weitgehend vermieden werden. Daher ist besonders bevorzugt das Redoxmaterial ein Perowskit, welcher keine Alkalimetalle- oder Erdalkalimetalle in einer Gitterposition aufweist. Außerdem sollte dieses Perowskitmaterial generell keine bei der vorgesehenen Reduktionstemperatur stabilen Carbonate oder Oxocarbonate bilden.
Das empfindungsgemäße Verfahren umfasst einen Schritt der Oxidation des Redoxmaterials sowie einen Schritt der Reduktion des Redoxmaterials. Bei der Oxidation wird das Redoxmaterial aus seinem reduzierten Zustand MO_red in seinen oxidierten Zustand MO_ox überführt. Dies erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 250 °C bis 600 °C, insbesondere von 300 °C bis 550 °C, insbesondere von 350 °C bis 500 °C, besonders bevorzugt von 400 °C bis 450 °C. Bei diesen Temperaturen kann die Oxidation effektiv erfolgen, da die Sauerstoffaffinität des reduzierten Materials bei diesen Temperaturen hoch genug ist, um eine effektive Sauerstoffaufnahme zu ermöglichen, gleichzeitig aber auch die Reaktionskinetik günstig ist, so dass die Reaktion innerhalb weniger Sekunden stattfindet
Die Reduktion, also die Überführung des Redoxmaterials von MO_ox zu MO_red damit die Freisetzung und Gewinnung von Sauerstoff erfolgt bei einer Temperatur T2, welche oberhalb der Temperatur T1, bei welcher die Oxidation erfolgt, liegt. Die Reduktion und die damit Freisetzung des Sauerstoffs erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 500 °C bis 1000 °C , insbesondre von 550 °C bis 950 °C, vorzugsweise bei einer Temperatur von 600 °C bis 900 °C, insbesondere bevorzugt von einer Temperatur von 700 °C bis 800 °C. Bei diesen Temperaturen kann eine effektive Sauerstoffabspaltung aus dem Redoxmaterial erfolgen.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren benötigte Energie zur Erwärmung des Redoxmaterials wird vorzugsweise mittels Nuklearenergie oder aus Abwärme exothermer chemischer Prozesse bereitgestellt. Hierdurch kann Wärmeenergie unmittelbar genutzt werden, ohne dass zunächst diese Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt wird, die dann wieder in Wärmeenergie umgewandelt werden müsste. Insbesondere relevant ist dabei die zyklische Erwärmung des Redoxmaterials. Bei einer Annahme von mehreren 1000 Zyklen ist die für die initiale Erwärmung benötigte Energie vernachlässigbar.
Die für den thermochemischen Kreisprozess benötigte Energie kann auch aus Solarenergie gewonnen werden. Dies ist jedoch abhängig von der Position das Planeten im Sonnensystem, also davon, ob ausreichend Solarenergie zur Verfügung steht, um beispielsweise mittels konzentrierter Solarstrahlung ausreichend Wärme bereitzustellen.
Besonders bevorzugt wird die für den thermisch chemischen Kreisprozess benötigte Energie mittels Nuklearenergie bereitgestellt. Dies hat den Vorteil, dass die beim radioaktiven Zerfall entstehende Wärme unmittelbar genutzt werden kann. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird ein radioaktives Material mit dem Redoxmaterial bereitgestellt. Dies bedeutet, dass ein Material, welches radioaktive Zerfallswärme produziert, mit einem Redoxmaterial, beispielsweise einem Perowskit, kombiniert wird. Die Zerfallswärme entsteht somit unmittelbar an dem Ort, an dem sie benötigt wird. Ein Transport der Wärme ist nicht erforderlich.
Das Material, welches radioaktive Zerfallswärme produziert, kann beispielsweise ²³⁸PuO₂ (Plutoniumoxid) ²⁴⁴Cu₂O₃ und/oder ⁹⁰SrO sein. Es ist erfindungsgemäß möglich, Perowskit und Plutoniumoxidpartikel miteinander zu vermischen. Auch eine Vermischung von Pulvern aus beiden Materialien ist erfindungsgemäß möglich. In diesem Fall ist insbesondere eine Verschmelzung bei hohen Temperaturen der beiden Pulver wünschenswert, da die Handhabung eines Pulvers im extraterrestrischen Raum schwierig sein kann.
Unabhängig von der genauen Art der Vermischung beheizt das radioaktive Material direkt das Redoxmaterial, sodass die Wärmeverluste deutlich reduziert und quasi nicht vorhanden sind.
In einer alternativen Ausführungsform dient das Material, welches radioaktive Zerfallswärme produziert, unmittelbar als Redoxmaterial. So können beispielsweise Plutonium oder andere aktive Elemente in eine Perowskitstruktur integriert werden. Das Redoxmaterial heizt sich in dieser Ausführungsform durch die Zerfallswärme selbstständig auf. Auch hier ist eine unmittelbare Erwärmung des Redoxmaterials sichergestellt, ohne dass beispielsweise durch Transporte oder Übertragungen ein Verlust an Wärme erfolgen würde.
Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt nicht nur die Möglichkeit der Erwärmung des Redoxmaterials. Nach erfolgter Reduktion muss das Redoxmaterial wieder auf die Temperatur T1 abgekühlt werden, um im Kreisprozess erneut zur Verfügung zu stehen. Erfindungsgemäß erfolgt die Abkühlung des Redoxmaterials vorzugsweise dadurch, dass ein Gasstrom erzeugt wird. Dies kann beispielsweise mit einem Gebläse oder einer Pumpe erfolgen. Insbesondere wird der so erzeugte Gasstrom dann auch verwendet, um in dem erfindungsgemäßen Verfahren zu Beginn zur Oxidation des Redoxmaterials eingesetzt zu werden. Je höher der Gasstrom ist, also je größer die Geschwindigkeit des Gasstroms, desto mehr Gas gelangt pro Zeiteinheit in Kontakt mit dem Redoxmaterial. Die Aufreinigung kann dann effektiv gestaltet werden. Besonders effektiv aus energetischer Sicht ist es dabei, wenn die Gasgeschwindigkeit eine Machzahl von 0,30 nicht überschreitet.
Damit das Redoxmaterial effektiv mit dem Gasstrom in Kontakt kommt, liegt dieses vorzugsweise derart vor, dass es von dem Gasstrom durchströmt werden kann. Dies ist beispielsweise möglich, indem das Redoxmaterial als Granulat vorliegt, welches in Form einer Schüttung in einen geeigneten Behälter gebracht wird, der dann vom Gasstrom durchströmt wird. Es ist erfindungsgemäß auch vorgesehen, dass das Redoxmaterial als Festkörper vorliegt, welcher Kanäle oder Rohre aufweist, durch welche das Gas dann strömt. Auch eine Gitter- oder Wabenstruktur ist hier denkbar.
Die Erzeugung des Gasstromes führt dazu, dass das Redoxmaterial abgekühlt wird. Gleichzeitig wird jedoch auch der Gasstrom selbst erwärmt. Dies ermöglicht, dass dieser erwärmte Gasstrom genutzt wird, um diese gewonnene Energie zur Erzeugung von elektrischem Strom zu nutzten. In einer bevorzugten Ausführungsform wird daher das nach der Reaktion mit dem Redoxmaterial aufgewärmte Gas zur Gewinnung von elektrischem Strom genutzt.
Nach der Abspaltung des Sauerstoffs aus dem Redoxmaterial, also nach der erfolgten Reduktion des Redoxmaterials, wird das abgepumpte Gemisch aus Sauerstoff und gegebenenfalls anderen Gasen vorzugsweise vorkomprimiert. Dies ermöglicht, dass Verunreinigungen, wie beispielsweise CO₂, verflüssigt werden. Diese können dann vom Sauerstoff abgetrennt werden, wodurch einer weiteren Aufreinigung des Sauerstoffs erfolgt.
Die vorliegende Anmeldung beschreibt somit erstmals die Verwendung eines thermochemischen Kreisprozesses zur Gewinnung von Sauerstoff in extra terrestrischen Atmosphären. Vorzugsweise wird dabei Nuklearenergie zur Gewinnung der benötigten Wärme genutzt, da diese über einen langen Zeitraum zu Verfügung steht und lokal am Redoxmaterial selbst einsetzbar ist, wodurch Wärmeverluste minimiert werden.
Die vorliegende Anmeldung stellt somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von Sauerstoff aus der Atmosphäre des Mars oder anderen extraterrestrischen Atmosphären anderer Himmelskörper durch Aufkonzentration unter Verwendung eines thermochemischen Redoxmaterials zur Verfügung. Die Gewinnung von Sauerstoff durch Aufkonzentration erfordert thermodynamisch gesehen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren deutlich weniger Energie als die Gewinnung mittels CO₂-Spaltung oder Elektrolyse. Zudem kann der Großteil der benötigten Energie in Form von Wärmeenergie bereitgestellt werden, welche in einer bevorzugten Ausführungsform lokal am Redoxmaterial direkt wirkt.
Die Verwendung insbesondere von Perowskiten als Redoxmaterial ermöglicht eine effektive Aufkonzentration von Sauerstoff, da dieses bei den üblichen Temperaturen unter den mittleren Sauerstoffpartialdruck extraterrestrischer Atmosphären oxidiert werden kann. Perowskit mit Redoxenthalpie um 120 kJ/mol Sauerstoff sind insbesondere geeignet. Zudem ermöglichen diese, dass innerhalb einer Stunde möglichst viele Redoxzyklen ablaufen, um so die Sauerstoffgewinnung effektiv zu gestalten.
Idealerweise läuft die Redoxreaktion in zwei Stufen ab. In 1. ist beispielhaft das thermodynamische Gleichgewicht eines Perowskit mit einer Redoxenthalpie 120 kJ/Mol Sauerstoff modelliert, wobei für den in entropischen Anteil die molare Entropie der Sauerstofffreisetzung und die Konfigurationsentropie berücksichtigt wurden und die Änderung der Vibrationsentropie vernachlässigt wurde.
Die Oxidation und damit Sauerstoffaufnahme erfolgt in 1 unter dem Sauerstoffpartialdruck der Marsatmosphäre, während die Reduktion, also die Abgabe von reinem Sauerstoff, beispielhaft bei einem Sauerstoffpartialdruck von 21% erfolgt, der der Konzentration von Sauerstoff in der Erdatmosphäre entspricht. Bei entsprechend erhöhter Temperatur oder anderen thermodynamischen Eigenschaft des Redoxmaterials kann der Sauerstoff jedoch auch unter deutlich höheres Drücken freigesetzt werden.
Durch die Redoxreaktion entsteht ein temperatur- und partialdruckabhängiges Gleichgewicht zwischen gasförmigen und im Redoxmaterial gespeicherten Sauerstoff. Durch die Entfernung von Sauerstoff aus dem Gitternetz des Redoxmaterials entstehen Sauerstofffehlstellen. Die daraus folgenden nicht Stöchiometrie ist durch den Wert δ, welcher in der y-Achse der 1 dargestellt ist, wiedergegeben.
Die für die Reaktion notwendige Wärme wird vorzugsweise durch nukleare Prozesse zur Verfügung gestellt, da für die Energieversorgung auf dem Mars ohnehin zunächst nukleare Energiequellen geplant sind. Alternativ könnte auch Abwärme aus anderen Prozessen oder Wärme aus konzentrierenden Solaranlagen eingesetzt werden.
Die für weitere Teile der Apparatur notwendige elektrische Energie (Pumpen, Ventile und Elektronik) entspricht nur einem kleineren Teil der auftretenden Wärmeenergie und kann daher voraussichtlich aus der Abwärme der chemischen Reaktion über thermoelektrische Generatoren oder Sterlingsysteme gewonnen werden.
Die direkte Nutzung der Wärmeenergie für die chemische Reaktion bietet gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die ineffiziente Umwandlung in elektrische Energie entfällt und somit bei Nutzung von Nuklearenergie die notwendige thermische Leistung der Energiequelle deutlich reduziert ist.
Im Falle der Nutzung von Kernreaktoren können diese deutlich kleiner dimensioniert werden, im Falle der Nutzung der Wärme aus dem Zerfall von Plutonium-238 (oder anderer Isotope von Plutonium oder anderen geeigneten Elementen) ergibt sich eine deutlich geringere notwenige Menge an Plutonium. In beiden Fällen tritt eine deutliche Reduktion der zum Mars zu transportierenden Masse auf, sowie eine deutliche Reduktion des notwendigen radioaktiven Materials, und somit Kostenvorteile und eine leichtere Umsetzbarkeit aus politischen Gesichtspunkten.
Die für die Reaktion notwendige Wärme ergibt sich ausfolgender Betrachtung:

Die Oxidation des Redoxmaterials erfolgt bei der Temperatur T₁ (typischerweise 250 bis 600 °C, in 2 350 °C), die Reduktion bei der Temperatur T₂ (typischerweise 500 bis 1000 °C, in 1 700 °C). Vereinfacht soll davon ausgegangen werden, dass die Temperatur niemals unter den Wert T₁ sinkt. Da der Prozess zyklisch zwischen den beiden Temperaturen T₁ und T₂ abläuft, ist nur zum erstmaligen Start des Prozesses eine Erhitzung des Materials auf die Temperatur T₁ erforderlich, was in Anbetracht tausender oder zehntausender Redoxzyklen vernachlässigt werden kann.

Die zur Erhitzung des Materials pro Zyklus notwendige Wärmeenergie ΔQ_m ergibt sich aus $Δ Q_{m} = C \cdot m \cdot Δ T$
oder unter Berücksichtigung der molaren Wärmekapazität c $Δ Q_{m} = c \cdot n \cdot Δ T$
$Δ Q_{m} = c \cdot \frac{M}{m} \cdot Δ T$
Die molare Wärmekapazität c kann vereinfachend nach dem Debye-Modell mit 125 J/molK (3 · N · R, wobei N=5 für ABO₃-Perowskite) angenommen werden. Der Temperaturunterschied liege entsprechend dem Beispiel in 1 bei 350 K.
Die Ziel-Produktionsrate eines Sauerstoffgenerators für die Vorbereitung einer bemannten Marsmission liegt bei mindestens 2 kg Sauerstoff pro Stunde. Damit lassen sich innerhalb eines Erdjahres 17,5 t Sauerstoff herstellen, die für den Rückflug und die Lebenserhaltungssysteme veranschlagten 25 t Sauerstoff entsprechend innerhalb von gut 17 Monaten.
Unter der Annahme, dass ca. 4 Redoxzyklen pro Stunde durchgeführt werden können (was aufgrund der Redoxkinetik der verwendeten Perowskite realistisch ist, siehe Vieten et. al., „Redox Behavior of Solid Solutions in the SrFe_1-xCu_xO₃-δ System for Application in Thermochemical Oxygen Storage and Air Separation“, Energy Technology, 2019), ergibt sich so eine notwendige Produktionsrate von 500 g Sauerstoff pro Zyklus.
Die Reaktion wird beschrieben durch ${ABO}_{3} \to {ABO}_{3 - δ} + δ / 2 O_{2}$
Die erreichbare Änderung der Nichtstöchiometrie Δδ sei 0,15 (siehe 1, konservative Annahme). Aus der Reaktionsgleichung ergibt sich dann ein Bedarf von 208 mol Perowskit-Redoxmaterial zur Herstellung von 500 g (= 15,6 mol) Sauerstoff.
Dann ergibt sich $Δ Q_{m} = 125 {Jmol}^{- 1} K^{- 1} \cdot 208 mol \cdot 350 K$
$Δ Q_{m} = 9,10 MJ = 2,53 kWh$
Dies ist allein die Wärme, die zur Erhitzung des Materials notwendig ist. Die notwendige Reaktionswärme ΔQ_r zur (endothermen) Reduktion ergibt sich aus der Redoxenthalpie des Materials pro mol O: $Δ Q_{r} = Δ H_{O} \cdot Δδ \cdot n$
Bei Δδ = 0,15, einer Redoxenthalpie ΔHO = 120 kJ/molO und n = 208 mol ergibt sich $Δ Q_{r} = 3,74 MJ = 1,04 kWh$
Insgesamt ergibt sich pro Zyklus also ein Wärmebedarf von 3,6 kWh, und ein mittlerer Bedarf an Wärmeleistung für den Gesamtprozess von 14,3 kW. Dies liegt deutlich unter den 25-30 kW elektrischer Leistung, die laut Stand der Technik in einem MOXIE-ähnlichen System notwendig sind. Da in einem nuklearen System zur Bereitstellung von 25-30 kW elektrischer Leistung 100-400 kW thermische Leistung bereitgestellt werden müssen, liegt der Bedarf an Wärmeenergie des hier vorgestellten Systems pro kg Sauerstoff etwa eine Größenordnung unter dem Stand der Technik. Dies führt zu den beschriebenen Vorteilen im Gewicht der Anlage und der notwendigen Menge an radioaktivem Material bei Nutzung von Nuklearenergie als Wärmequelle.
Sowohl ΔQm, als auch ΔQr können theoretisch bei der Re-Oxidation des Materials zurückgewonnen werden, wobei durch den Entropieterm der Redoxreaktion und die Temperaturabhängigkeit der Redoxenthalpie eine kleine Differenz verbleibt, welche der thermodynamisch notwendigen minimalen Arbeit zur Gastrennung entspricht. Sollte eine effiziente Rückgewinnung der zur Reduktion eingesetzten Wärme möglich sein, ist also theoretisch noch ein deutlich geringerer Bedarf an Wärmeenergie möglich. Allerdings ist in der vorgeschlagenen Apparatur auch elektrische Energie zum Betrieb von Pumpen und Elektronik erforderlich. Diese könnte über thermoelektrische Generatoren oder eine Sterlingapparatur aus der Abwärme der Reaktion gewonnen werden. Daher ist die nutzbare Abwärmemenge der chemischen Reaktion begrenzt.
Die Menge von 200 - 250 mol Perowskit als Redoxmaterial (208 mol in obiger beispielhafter Rechnung) entspricht ca. 50-63 kg Redoxmaterial bei einer molaren Masse von 250 g/mol (LaCuO₃) oder 85-106 kg Redoxmaterial bei einer molaren Masse von 425 g/mol (CsPuO₃). Gegenüber dem Stand der Technik (Scale-up MOXIE, ca. 1 t) ergibt sich so eine um ca. eine Größenordnung geringere Masse der sauerstofferzeugenden Reaktionskammer. Dies führt zu deutlichen Kosteneinsparungen beim Transport zum Mars oder zu anderen Planeten.
Die für Pumpen und Kompression notwendige elektrische Energie ergibt sich ausfolgender Betrachtung:

Die Gewinnung von 500 g Sauerstoff pro Zyklus erfordert den Durchsatz eines Volumens von 350 L reinem Sauerstoff bei STP (nach molarem Normvolumen), oder 41700 m³ bei gleicher Temperatur und 8,4 · 10^-6 bar. Bei der durchschnittlichen Temperatur der Marsatmosphäre von 210 K ergibt sich ein Volumen von 32100 m³. Bei einer Oxidationsdauer von 10 min pro Zyklus ergibt sich ein notwendiger Durchsatz des Gebläses zum Durchsatz der Marsatmosphäre von über 190.000 m³/h. Dieser Wert erscheint sehr hoch, allerdings ist dieser Durchsatz im Falle des Planeten Mars mit moderatem Energieaufwand zu erreichen, da die Marsatmosphäre mit einer Dichte von lediglich 0,017 kg/m³ diesem Durchsatz sehr wenig Widerstand entgegensetzt. Der genaue Energiebedarf ist abhängig von der Konstruktion des Redoxmaterials und der Reaktionskammer, durch die die Planetenatmosphäre gepumpt wird, wodurch sich der entsprechende Druckverlust berechnen lässt. Die notwendige minimale Pumpleistung ergibt sich dann aus der hydraulischen Leistung P = Q Δp / 3600, wobei P der Leistung in kW entspricht, Q die Durchflussrate in m³/h angibt und Δp dem Druckverlust in kPa entspricht. Bei einem Druckverlust von 0,5 mbar (0,05 kPa, welcher in einer ersten Abschätzung realistisch erscheint, entspricht dies einer Leistung von 2,7 kW. Wird die Oxidationsreaktion langsamer durchgeführt, so verringert sich die notwendige Durchflussrate und damit auch der Druckverlust und die notwendige Pumpleistung. Allerdings steigt dadurch auch die Menge an notwendigem Redoxmaterial. Letztendlich handelt es sich hierbei also um eine Optimierungsaufgabe.

Zur Kompression des pro Zyklus anfallenden Sauerstoffs auf einen Druck von 200 bar ist unter der idealisierten Annahme einer isothermen Kompression (W = nRT In(p1/p0)) eine Arbeit von 13,2 kJ/mol Sauerstoff zu leisten, was pro Zyklus mit 15,6 mol Sauerstoff einer Arbeit von etwa 55 Wh entspricht. Bei einer Kompression über einen Zeitraum von 5 min (geschätzte Dauer des Reduktionsschrittes) wäre dafür eine (zeitweise verfügbare) Leistung von 0,67 kW nötig. Der reale Energiebedarf ist aufgrund des nicht hundertprozentigen Wirkungsgrads des Kompressors und der nicht isothermen Kompression deutlich höher. Es sind allerdings auch Verflüssigungsmethoden denkbar, die ohne eine derartig starke Kompression auskommen.
Die für die chemische Reaktion notwendige Energie kann im Gegensatz zum Stand der Technik somit erfindungsgemäß direkt als Wärmeenergie bereitgestellt werden. Dadurch reduziert sich der Bedarf an primärer Wärmeenergie um eine Größenordnung. Wird (wie derzeit von der NASA geplant) Nuklearenergie verwendet, reduziert sich die notwendige Menge an radioaktivem Material deutlich.
In der Gesamtschau der notwendigen Pump- und Kompressionsleistung wird deutlich, dass der voraussichtliche Bedarf an elektrischer Energie zum Betrieb von Pumpen und Kompressoren in der Größenordnung von 3 kW aus der Abwärme der thermochemischen Reaktion gewonnen werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Aufkonzentration von vorhandenem Sauerstoff in extraterrestrischen Atmosphären. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst:

a. eine Reaktionskammer, welche mit dem Redoxmaterial zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, gefüllt ist,
b. einen Einlass, welcher mittels eines Verschlusses die Reaktionskammer gegenüber der Umgebung hermetisch abschließen kann,
c. einen Auslass, welcher mittels eines Verschlusses die Reaktionskammer gegenüber der Umgebung hermetisch abschließen kann,
d. ein Gebläse zur Erzeugung eines Gasstroms, wobei das Gebläse im Bereich des Einlassverschlusses angeordnet ist, so dass ein Gasstrom erzeugt wird, der vom Einlass in Richtung der Reaktionskammer und dann weiter in Richtung des Auslasses strömt, und
e. einen Kompressor mit einer Expansionsturbine.

Die Vorrichtung ermöglicht somit die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei wird mittels des Gebläses der Gasstrom erzeugt, der für einen effektiven Kontakt des Gasstroms mit dem Redoxmaterial sorgt und gleichzeitig dieses auch kühlen kann. Das Gebläse ist daher so angerichtet, dass der Gasstrom durch den Einlass, anschließend in und durch die Reaktionskammer in Richtung des Auslasses strömt.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin eine Vorpumpe sowie eine Trennvorrichtung zum Auftrennen von Gas und Flüssigkeit. Vorpumpe und Trennvorrichtung sind räumlich zwischen de, Auslass und dem Kompressor angeordnet. Der Kompressor mit Expansionsturbine sorgt für die Verflüssigung des Sauerstoffs. Durch eine Vorpumpe kann eine erste Kompression des gewonnenen Sauerstoffs erfolgen. Dabei Verflüssigen Verunreinigungen, wie beispielsweise CO₂ oder Edelgase, welche dann in der Trennvorrichtung entfernt werden können.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Generator, mit welchem elektrische Energie zum Betrieb des Kompressors sowie der gegebenenfalls vorhandenen Vorpumpe.
Eine bevorzugte Vorrichtung ist in 2. schematisch gezeigt. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform:

1. Reaktionskammer, gefüllt mit Redoxmaterial oder Redoxkompositmaterial
2. Gebläse
3. Einlass mit Verschluss
4. Auslass mit Verschluss
5. Generator
6. Vorpumpe
7. Trennvorrichtung Gas/Flüssigkeit
8. Kompressor mit Expansionsturbine

In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in einer bevorzugten Ausführungsform das Redoxmaterial oder Redoxkompositmaterial in einer Reaktionskammer (1) bereitgestellt. Dies erfolgt derart, dass ein Gasstrom dies durchströmen kann. Um eine effektive Wärmegewinnung zu erhalten, ist in einer bevorzugten Ausführungsform etwa die Hälfte bis zu zwei Drittel der Masse des Redoxmaterials auf ein radioaktives Material zu richten. Durch den radioaktiven Zerfall beispielsweise von Plutonium ergibt sich eine dauerhaft abgegebene Wärmeleistung von etwa 30 kW.
Die Reaktionskammer (1) weist zwei sich einander gegenüber liegende Enden/Öffnungen auf. Im Strömungsrichtung des Gasstroms werden diese als Einlass (3) und Auslass (4) bezeichnet. Im Bereich des Einlasses (3) befindet sich ein Gebläse (2) oder eine Vergleichbare Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms. Dies sorgt für ein ausreichend Durchfluss der Gasatmosphäre, also beispielsweise der Marsatmosphäre, durch das Redoxmaterial in der Reaktionskammer (1). Hierdurch ist sichergestellt, dass genügend Sauerstoff aus der Atmosphäre zur Oxidation des Redoxmaterials/Redoxkompositmaterials zur Verfügung steht.
An Einlass (3) und Auslass (4) der Reaktionskammer (1) befinden sich geeignete Verschlüsse. Diese ermöglichen den weitgehend gasdichten Abschluss der mit dem Redoxmaterial oder Redoxkompositmaterial gefüllten Reaktionskammer (1) gegenüber der Atmosphäre.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung weiterhin einen Generator (5), beispielsweise einen thermoelektrischen Generator. Aus dem Wärmeunterschied der Abwärme der Reaktion beziehungsweise der radioaktiven Zerfallswärme und der Marsatmosphäre kann mit dieser elektrischen Energie zum Betrieb von Pumpen und Kompressoren gewonnen werden.
Mit einer Vorpumpe (6) kann das aus der Reaktionskammer abgepumpte Gas zunächst auf einen Druck von ca. 40 bar komprimiert werden, wodurch verbleibender Kohlenstoffdioxid verflüssigt wird. Das dann verflüssigte Kohlenstoffdioxid wird in einer Trennvorrichtung (7) abgelassen, während die Gasphase, also der Sauerstoff, in der Apparatur verbleibt.
In dem Hauptkompressor (8) wird die Gasphase bis auf einen Druck von etwa 200 bar komprimiert und dann über eine Turbine, welche über einen Generator ein Teil der Kompressionsenergie zurückgewinnt, entspannt. Bei der Entspannung kühlt das Gas ab, wodurch Flüssigsauerstoff in roher Reinheit als Endprodukt entsteht. Lediglich geringe Mengen an Stickstoff oder leichten Edelgasen können an Verunreinigung vorhanden sein. Deren Konzentration ist jedoch so gering, dass dies nicht weiter relevant ist.
Der Betrieb der Vorrichtung läuft zyklisch ab. Durch die Wärmefreisetzung erhitzt sich das Redoxmaterial. Zu Beginnen sind die Ein- und Auslassventile geschlossen.
Durch Reduktion des Redoxmaterials wird Sauerstoff freigesetzt. Sobald die zuvor definierte maximal Temperatur erreicht ist, wird die Pumpe (6) aktiviert, welche den Sauerstoff und gegeben falls in der Reaktionskammer (1) vorhandene Restgase entfernt und komprimiert. Nach entfernen des Sauerstoffs werden die Verschlüsse, zum Beispiel Ventile, an Einlass (3) und Auslass (4) geöffnet und das Gebläse (2) aktiviert. Der Gasstrom durch das Gebläse sorgt für eine Abkühlung des Redoxkompositmaterials bzw. Redoxmaterials im Inneren der Reaktionskammer (1) und oxidiert dieses. Nach Abschluss der Oxidation des Redoxmaterials und Erreichen einer minimalen Temperatur wird das Gebläse (2) deaktiviert und die Verschlüsse, wie beispielsweise Ventile, an Einlass (3) und Auslass (4) geschlossen, sodass der Zyklus erneut beginnen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013209658 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Aufkonzentration von vorhandenem Sauerstoff in extraterrestrischen Atmosphären mit Hilfe eines thermochemischen Kreisprozesses, wobei ein Gasstrom mit einem Sauerstoffpartialdruck von 10^-4 bar oder weniger mit einem Redoxmaterial in seiner reduzierten Form MO_red in Kontakt gebracht wird, wodurch dieses Redoxmaterial zumindest teilweise zu MO_ox oxidiert wird und in einem weiteren Schritt der Sauerstoff vom Redoxmaterial in seiner oxidierten Form MO_oX wieder entfernt wird, wodurch Sauerstoff (O₂) erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation des Redoxmaterials von MO_red zu MO_ox bei einer Temperatur T₁ erfolgt, welche im Bereich von 250 °C bis 600 °C liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion des Redoxmaterials von MO_ox zu MO_red und damit die Gewinnung von Sauerstoff bei einer Temperatur T₂ erfolgt, welche im Bereich von 500 °C bis 1000 °C liegt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den thermochemischen Kreisprozess benötigte Energie unmittelbar in Form von Wärme, insbesondere mittels Nuklearenergie oder aus Abwärme exothermer chemischer Reaktionen oder aus Solarenergie bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die benötigte Energie mittels Nuklearenergie bereitgestellt wird, wobei radioaktive Substanzen mit dem Redoxmaterial vermengt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die benötigte Energie mittels Nuklearenergie bereitgestellt wird, wobei das Redoxmaterial selbst radioaktiv ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abkühlung des Redoxmaterials nach erfolgter Gewinnung von Sauerstoff mittels eines Gasstroms erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der so erzeugte Gasstrom in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Redoxmaterial ein Perowskit ist, welcher insbesondere keine Alkalimetalle und/oder Erdalkalimetalle in einer Gitterposition aufweist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Redoxmaterial in Form eines Gitters vorliegt oder Kanäle oder Rohre zur verbesserten Durchströmung des Gasstroms aufweist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das nach der Reaktion mit dem Redoxmaterial aufgewärmte Gas zur Gewinnung von elektrischem Strom genutzt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der gewonnene Sauerstoff komprimiert und insbesondere als Flüssigsauerstoff gespeichert wird.
Verwendung eines thermochemischen Kreisprozesses zur Gewinnung von Sauerstoff in extraterrestrischen Atmosphären, wobei ein Gasstrom mit einem Sauerstoffpartialdruck von 10^-4 bar oder weniger mit einem Redoxmaterial in seiner reduzierten Form MO_red in Kontakt gebracht wird, wodurch dieses Redoxmaterial zumindest teilweise zu MO_oX oxidiert wird und in einem weiteren Schritt der Sauerstoff vom Redoxmaterial in seiner oxidierten Form MO_oX wieder entfernt wird, wodurch Sauerstoff (O₂) erhalten wird.
Vorrichtung zur Aufkonzentration von vorhandenem Sauerstoff in extraterrestrischen Atmosphären umfassend a. eine Reaktionskammer (1), welche mit dem Redoxmaterial zumindest teilweise gefüllt ist, b. einen Einlass, welcher mittels eines Verschlusses (3) die Reaktionskammer (1) gegenüber der Umgebung hermetisch abschließen kann, c. einen Auslass, welcher mittels eines Verschlusses (4) die Reaktionskammer (1) gegenüber der Umgebung hermetisch abschließen kann, d. ein Gebläse (2) zur Erzeugung eines Gasstroms, wobei das Gebläse (2) im Bereich des Einlassverschlusses (3) angeordnet ist, so dass ein Gasstrom erzeugt wird, der vom Einlass in Richtung der Reaktionskammer und dann weiter in Richtung des Auslasses strömt, und e. einen Kompressor (8) mit einer Expansionsturbine.
Vorrichtung nach Anspruch 14, weiterhin umfassend f. eine Vorpumpe (6) und g. eine Trennvorrichtung (7) zum Auftrennen von Gas und Flüssigkeit.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, weiterhin umfassend h. einen Generator (5).