地外人工光合成材料研究进展

发布时间：2021-01-15 01:09

　　太空探索已成为人类共同目标,重返月球、载人火星等人类历史上的重大里程碑任务已逐步实施。如何实现地外极端环境下人类生存和发展已成为载人太空探索的基本能力和基础技术。由南京大学和钱学森空间技术实验室提出的地外人工光合成技术,模拟地球绿色植物的自然光合作用,利用密闭空间废弃资源或地外天体环境中丰富的资源,通过光电催化方法原位、加速、可控地将二氧化碳转化成为氧气和含碳燃料,大幅度降低载人航天器的物资供应需求,支撑可承受、可持续的载人深空探索。本文回顾了近年来国际航空航天领域利用二氧化碳转换生成氧气和碳氢燃料的现有方法,并深入探讨面向地外原位资源利用的人工光合成材料研究进展,期望深化对地外人工光合成材料与技术的认知,有力支撑载人航天发展。 

【文章来源】：材料科学与工艺. 2020,28(03)北大核心

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

地外人工光合成材料机理示意图

美国等航天强国为解决载人空间站和深空探索的关键问题,在继承传统地面技术的基础上,持续开展了H2O/CO2转换技术的研究。例如,为解决国际空间站的氧气供应,采用电解水的方式为宇航员补充氧气[6];为实现宇航员排出的二氧化碳再利用,NASA和JAXA在国际空间站上开发了一套二氧化碳还原和氧气获取装置,其中二氧化碳还原是利用Sabatier方法通过氢气将二氧化碳转化成甲烷和水,氢气通过电解水装置获得。Sabatier反应装置为气固两相过程,核心装置温度为250～450 ℃,气体最小压力为55 kPa,其中地面实验装置质量约41 kg,总功率超过100 W。这一系统已于2010年10月完成在轨测试[1](图2)。由JAXA开发的电解水装置也进行了搭载实验[9-10],这一装置通过改造工业上较为成熟的质子交换膜电解池获得,其中包括电解单元和气液分离单元等(图3)[3]。在国际空间站上,上述两个装置的结合可支持环境控制和生命保障系统(ECLS),通过在轨原位反应将二氧化碳转换为氧气和甲烷燃料,实现物质的循环利用,如图4所示。JAXA的研究人员利用抛物线飞行和落塔试验对水电解装置进行了大量的研究和改进工作,包括电解池工作温度、气液分离膜压强、电解质组分、工作电压和电流等。然而,即使经过了各项优化工作,该装置在微重力条件下的工作效率仍达不到通常重力环境下的1/3。研究表明,过溶气体在电极表面附近聚集形成的溶解气体分子的过饱和层,对物质输运速率和反应效率具有非常重要的影响,如图5所示[11-12]。Matsushima等人发现,微重力环境下电极与电解质的相互作用对于气泡的形成和演化,以及电解电流和电势均有显著地影响[13]。图3 JAXA电解水装置原理(a)与外观图(b)

JAXA电解水装置原理(a)与外观图(b)


本文编号：2977910