太空探索已成為人類共同目標(biāo),重返月球、載人火星等人類歷史上的重大里程碑任務(wù)已逐步實(shí)施。如何實(shí)現(xiàn)地外極端環(huán)境下人類生存和發(fā)展已成為載人太空探索的基本能力和基礎(chǔ)技術(shù)。由南京大學(xué)和錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室提出的地外人工光合成技術(shù),模擬地球綠色植物的自然光合作用,利用密閉空間廢棄資源或地外天體環(huán)境中豐富的資源,通過光電催化方法原位、加速、可控地將二氧化碳轉(zhuǎn)化成為氧氣和含碳燃料,大幅度降低載人航天器的物資供應(yīng)需求,支撐可承受、可持續(xù)的載人深空探索。本文回顧了近年來國際航空航天領(lǐng)域利用二氧化碳轉(zhuǎn)換生成氧氣和碳?xì)淙剂系默F(xiàn)有方法,并深入探討面向地外原位資源利用的人工光合成材料研究進(jìn)展,期望深化對地外人工光合成材料與技術(shù)的認(rèn)知,有力支撐載人航天發(fā)展。 

【文章來源】：材料科學(xué)與工藝. 2020,28(03)北大核心

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

地外人工光合成材料機(jī)理示意圖

美國等航天強(qiáng)國為解決載人空間站和深空探索的關(guān)鍵問題,在繼承傳統(tǒng)地面技術(shù)的基礎(chǔ)上,持續(xù)開展了H2O/CO2轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究。例如,為解決國際空間站的氧氣供應(yīng),采用電解水的方式為宇航員補(bǔ)充氧氣[6];為實(shí)現(xiàn)宇航員排出的二氧化碳再利用,NASA和JAXA在國際空間站上開發(fā)了一套二氧化碳還原和氧氣獲取裝置,其中二氧化碳還原是利用Sabatier方法通過氫氣將二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲烷和水,氫氣通過電解水裝置獲得。Sabatier反應(yīng)裝置為氣固兩相過程,核心裝置溫度為250～450 ℃,氣體最小壓力為55 kPa,其中地面實(shí)驗(yàn)裝置質(zhì)量約41 kg,總功率超過100 W。這一系統(tǒng)已于2010年10月完成在軌測試[1](圖2)。由JAXA開發(fā)的電解水裝置也進(jìn)行了搭載實(shí)驗(yàn)[9-10],這一裝置通過改造工業(yè)上較為成熟的質(zhì)子交換膜電解池獲得,其中包括電解單元和氣液分離單元等(圖3)[3]。在國際空間站上,上述兩個裝置的結(jié)合可支持環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)(ECLS),通過在軌原位反應(yīng)將二氧化碳轉(zhuǎn)換為氧氣和甲烷燃料,實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的循環(huán)利用,如圖4所示。JAXA的研究人員利用拋物線飛行和落塔試驗(yàn)對水電解裝置進(jìn)行了大量的研究和改進(jìn)工作,包括電解池工作溫度、氣液分離膜壓強(qiáng)、電解質(zhì)組分、工作電壓和電流等。然而,即使經(jīng)過了各項(xiàng)優(yōu)化工作,該裝置在微重力條件下的工作效率仍達(dá)不到通常重力環(huán)境下的1/3。研究表明,過溶氣體在電極表面附近聚集形成的溶解氣體分子的過飽和層,對物質(zhì)輸運(yùn)速率和反應(yīng)效率具有非常重要的影響,如圖5所示[11-12]。Matsushima等人發(fā)現(xiàn),微重力環(huán)境下電極與電解質(zhì)的相互作用對于氣泡的形成和演化,以及電解電流和電勢均有顯著地影響[13]。圖3 JAXA電解水裝置原理(a)與外觀圖(b)

JAXA電解水裝置原理(a)與外觀圖(b)


本文編號：2977910