地外人工光合成装置研制与试验

发布时间：2021-07-26 16:41

　　原位资源利用技术是地外生命保障体系构建、实现人类地外生存的有效途径,是载人深空探索的核心技术。基于微通道技术的人工光合成反应器,采用流动反应器设计,用于低微重力等特殊环境条件下模拟人工光合作用,实现CO₂向O₂和含碳燃料的转化。微通道芯片通过气液剪切作用力使气体反应产物快速脱离电极表面并随反应介质排出反应器,理论上可以克服微重力条件对反应过程的影响,尚需进行微重力试验进行验证。同时,微通道结构可以通过精确控制反应气液的压力、流速、流量比等反应条件,获得优化的反应条件。通过地面试验,验证了该反应器将CO₂还原为O₂和含碳化合物的功能可行性。以Au和Ir/C作为阴极和阳极材料,3 V电压条件下,O₂产率可达11.74 mL/h。此外,基于人工光合成反应器搭建了集反应模块、控制模块、流路驱动模块以及检测模块等于一体的地外人工光合成装置,形成原位反应、介质供给、精确控制、在线收集和检测等功能一体化的系统,并实现CO₂有效转换和O₂供给。为后续... 

【文章来源】：中国空间科学技术. 2020,40(06)北大核心CSCD

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

Sabatier装置原理示意

设计研制以人工光合成反应器为核心,并集成控制模块、电源模块、流路驱动模块以及供气调压模块等于一体的地外人工光合成装置,原理如图3所示。方案采用供气调压模块提供的一定压力的CO2气体,经流路驱动模块使固定流量的电解质溶液在光催化反应模块中进行催化反应,产物种类经在线检测装置检测,同时将反应产物全部收集存储,以便返回后进行其他测试。反应模块是整体装置系统的核心部件,包括地外人工光合成反应器、产物收集装置、小型电化学工作站、模拟光源和CCD摄像存储器。人工光合成反应器是反应模块的核心构件,发生CO2还原和产氧等物理化学反应。反应器基于微流控技术精确控制反应过程中气、液的流速,实现二者的均匀混合。此外,通过微通道的剪切作用力,可使气泡有效脱离电极表面并随电解液排出反应器,实现气液的有效分离。产物收集装置用于反应器在轨试验的产物的收集和保存。软体袋收缩压小,可实现出口较低压力下的气体收集,故采用收集袋对产物进行收集。反应模块还包含小型电化学工作站和模拟光源,为反应器提供电势和光照等能量输入。地外人工光合成装置整体布局如图4所示。电源模块包括银锌电池组和二次电源两部分,为整个系统供电。供气调压模块主要为反应器提供反应介质,包括电解质溶液和CO2气体,并通过流路控制模块对液体和气体的流量及压力分别进行控制。控制模块主要实现过程控制、数据采集和故障处理等功能。图4 地外人工光合成装置布局

图3 地外人工光合成装置原理研制的系统装置质量不大于20 kg,外形尺寸不大于553 mm×450 mm×350 mm,长期功耗≤50 W,瞬时功耗≤55 W。


本文编号：3303941