[发明专利]通过就地资源利用来产生有用材料以维持在火星上的载人太空任务的工艺

摘要

描述了用于产生有用材料以维持在火星上的载人太空任务的工艺，以及用于实施该工艺的材料和装置的成套工具。所述工艺仅使用就地可利用的自然资源，即火星大气和表土，作为原料。成套工具允许通过提供将在火星土壤上使用的所有材料和装置来实施本发明的工艺。

主权项

通过就地使用可用资源在火星土壤上产生氧气、水、一氧化碳、氨、氮肥和可食用生物质的工艺，所述工艺包括两个部分，即，用于产生氧气、水、一氧化碳、氨和基于氮的肥料的化学‑物理部分，和用于产生可食用生物质的生物学部分，所述化学‑物理部分包括以下步骤：a)在火星表面上组装至少一个网格球顶以容纳室内操作的设备单元；b)户外组装光伏板以产生用于在所述至少一个球顶内部加热和用于对所述设备单元的设备提供动力所需的能量；c)户外组装可变温度吸附单元(变温吸附器或TSA)和固态减湿器(水蒸气吸附反应器或WAVAR)；d)通过TSA将被加压的火星CO₂吹到所述至少一个球顶中，直到达到不小于0.8巴的内压力；e)通过由所述光伏板提供动力的加热系统加热所述至少一个球顶的内部，直到达到不小于10℃的温度；f)组装用于机械保护户外操作的设备单元的结构；g)将用于产生肥料的设备单元放置到所述至少一个球顶的内部；h)将由火星大气组成的气体传送到户外操作的所述WAVAR单元，用于大气水的提取；i)挖掘并传送火星表土至被称为MPO(微波披萨炉)的室内系统，用于通过微波来提取被吸附的水和矿物质的水合水；j)将从火星大气提取的水传送至存储罐；k)使从表土提取的水分成被称为π1、π2和π3的三个流；l)将水流π1传送到室内操作的电解器以产生H₂和O₂的两个不同的流；m)基于在可变温度下在沸石材料上的吸附‑解吸的循环，将从所述单元WAVAR出来的脱水大气传送到分离和加压CO₂的所述系统TSA，同时产生基本上由N₂和Ar组成的第二气流；n)将被分离和加压的CO₂传送到电解器，用于产生O₂和由CO和CO₂的混合物组成的、将被存储和用作用于舱外活动的推进剂的气流；o)将基本上由N₂和Ar组成的从所述TSA中分离的第二流连同由水的电解产生的H₂传送到反应器中，所述反应器允许通过电合成产生气态氨(NH₃)，同时在导致NH₃的产生的反应过程中产生是惰性的Ar的流；p)将所产生的NH₃的流分成被称为θ1和θ2的两个流；q)将来自电合成步骤(o)的Ar的流连同NH₃的流θ1(p)、按照步骤(l)产生的氧气、按照步骤(k)产生的水流π2传送到用于产生硝酸(HNO₃)和主要由Ar组成的废气的单元，该单元在Ostwald工艺的基础上操作；r)将所产生的HNO₃的流分成被称为ρ1和ρ2的两个流；s)将按照步骤(p)产生的NH₃的流θ2进一步分成被称为θ2'和θ2″的两个流；t)将流θ2'传送到存储罐，从所述存储罐中取出将被用作用于舱外活动的推进剂或用作水栽培的肥料的NH₃；u)将HNO₃的流ρ1连同按照步骤(s)产生的NH₃的流θ2″传送到用于吸收和中和的反应器中，所述反应器允许产生将被用作肥料的硝酸铵(NH₄NO₃)；并且所述生物学部分包括以下步骤：a')在火星表面上组装至少一个网格球顶以容纳室内操作的设备单元；b')户外组装光伏板以产生用于在所述至少一个球顶内部加热和用于对所述设备单元的设备提供动力所需的能量；c')户外组装可变温度吸附单元(变温吸附器或TSA)和固态减湿器(水蒸气吸附反应器或WAVAR)；d')通过TSA将被加压的火星CO₂吹到所述至少一个球顶中，直到达到不小于0.8巴的内压力；e')通过由所述光伏板提供动力的加热系统加热所述至少一个球顶的内部，直到达到不小于10℃的温度；f')挖掘并传送火星表土至被称为MPO(微波披萨炉)的室内系统，用于通过微波来提取被吸附的水和矿物质的水合水；g')将产生的水与在所述化学‑物理部分中产生的合适量的硝酸混合；h')将按照步骤(f')产生的被脱水的表土分成被称为τ₁'和τ₂'的两个不同的固体流；I')将步骤(g')中产生的与硝酸混合的水连同表土的所述固体流τ₁'传送到浸提反应器中，所述浸提反应器用于将微量营养素和大量营养素从固相转移到液相；j')将来自所述浸提反应器的固体和液体的混合物(浆料)传送到过滤系统，所述过滤系统用于从富含微量营养素和大量营养素的被称为“培养肉汤”的所述液体中分离被称为“浸提表土”的所述固体；k')基于在可变温度下在沸石材料上的吸附‑解吸的循环，将火星大气传送到分离和加压CO₂的所述单元TSA，同时产生基本上由N₂和Ar组成的第二气流；l')将按照步骤(k')产生的N₂和Ar的所述第二气流存储于合适的容器中，所述第二气流可从所述容器中取出以被用作在取样步骤过程中使用的分析装置中的缓冲气体，所述取样步骤是在任务期间为了科学目的而进行的；m')制备从地球带来的合适的藻类菌株的接种物；n')将按照步骤(j')产生的“培养肉汤”，连同按照步骤(k')产生的被加压的CO₂流，连同在所述化学‑物理部分中产生的HNO₃，和按照步骤(m')产生的接种物传送到至少一个光生物反应器中以被用于促进藻类生长；o')在液相中通过基于液压气动泵(“airlift”)的系统进行CO₂吸收，所述液压气动泵允许传送到所述光生物反应器中的组分的适当混合，和被称为“生物浆料”的藻类和培养基的混合物的充分循环；p')将所述至少一个光生物反应器暴露于能够促进光合作用的光源，从而导致新的光合藻类生物质和氧气的形成；q')通过离心将所述藻类生物质与所述培养肉汤分离并且通过脱气将氧气分离；r')将被传送到ECLSS部分(环境控制与生命保障系统)的氧气存储于被密封和加压的罐中，并且进一步使藻类生物质脱水以使其用作食物或饮食补充剂；s')将步骤q')中用过的所述培养肉汤连同所述化学‑物理部分中产生的硝酸铵(NH₄NO₃)、按照步骤(j')产生的所述浸提表土，以及从地球带来的适当量的腐殖酸和富里酸，和人的代谢废物转移到所述球顶中，食物的种植物在所述球顶中生长。