一种月球基地原位制备生命保障物质的系统与方法与流程

1.本发明涉及探月工程技术领域，特别是涉及一种月球基地原位制备生命保障物质的系统与方法。


背景技术：

2.我国已经进入载人登月、建立月球基地的前期阶段。建立月球基地，要建设生命保证系统，月球基地本身建设和载人飞船、地月运输及月球运输等系统都需要电能、热能和金属结构材料，基地人员需要呼吸氧气，运输工具需要燃料补给。因此，利用月球能源和资源，进行月球原位能量利用，原位制备生命保障系统紧迫需求的物质例如氧气、氢气、水、金属材料等十分重要。
3.月球太阳能能源十分丰富。由于月球表面的“大气”非常稀薄，太阳辐射可以长驱直入，所以到达月球的太阳光辐射能量极其巨大。现在月球探测器通常使用的发电装置为太阳能电池，但太阳能电池具有一些难以克服的问题。首先太阳能电池板由于自身性质的原因，其发电效率不超过20％，一般在16％左右，能量利用率低，这就需要很大面积的太阳能板才能满足发电功率的需求。其次，太阳能电池板比较薄，比较脆弱，如果在月球表面受到外力的冲击，比如陨石等，很容易损坏而导致整个探测设备瘫痪。再次，太阳能电池板展开后所占空间较大，像我国的“玉兔号”月球探测车，它的太阳能电池板在月面的投影面积是车体投影面积的两倍，这极大地限制了“玉兔号”的行动能力。月球基地初建期，研制一种替代太阳能硅电池的发电系统作为电源和热源供月球基地使用十分重要。
4.月球潜在资源有四种，一是月球高地硅酸盐矿物，富含铝、镁、稀土等，这类矿物含氧量高；二是月球月海矿物，主要含钛铁矿、橄榄石、辉石等矿物，特别是月海玄武岩，是巨大的钛铁矿的储存库。月海玄武岩蕴藏着丰富的钛铁矿，而且，钛铁矿不仅是生产金属铁、钛的原料，还是生产水和火箭燃料-液氧的主要原料；三是月壤表岩层的太阳风化物，含he-3、h、c及n；四是月球极地永久阴影区月壤中的水冰。
5.现有技术中介绍了月球能源利用、原位制备水、氧气及金属技术，但多数操作性差，经济成本高并且不具备可操作性。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种月球基地原位制备生命保障物质的系统与方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够利用月球能源和资源原位制备月球基地生命保障物质，经济成本低，具备技术可行性。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.本发明提供一种空间温差发电装置，包括热置换气缸、动力气缸、曲轴和发电机，所述热置换气缸包括顶板、底板、环形侧板和移气活塞，所述顶板和所述底板分别密封连接在所述环形侧板的顶端和底端，所述顶板的顶面上安装有平板集热器，所述底板的底面上安装所述动力气缸，且所述动力气缸与所述热置换气缸内部连通，所述移气活塞设置于所
述环形侧板内并位于所述顶板和所述底板之间，所述移气活塞外周面与所述环形侧板内周面存在移气间隙，所述移气活塞上连接有移气活塞杆，所述移气活塞杆穿过所述底板与第一连杆一端转动连接，所述第一连杆另一端与所述曲轴上的移气曲柄转动连接，所述底板上还设有注入口，所述注入口用于向所述热置换气缸内充填工质，所述动力气缸包括环形缸筒和滑动密封于所述环形缸筒内的动力活塞，所述动力活塞远离所述移气活塞的一面上连接有铰支架，所述铰支架与第二连杆一端转动连接，所述第二连杆另一端与所述曲轴上的动力曲柄转动连接，所述动力曲柄与所述移气曲柄呈90
°
夹角，所述曲轴与所述发电机的输入轴传动连接。
9.优选地，所述底板上固定设有轴承架，所述曲轴通过轴承转动连接于所述轴承架上。
10.优选地，所述移气活塞包括泡沫板和设置于所述泡沫板上下两面的钢片，两个所述钢片和所述泡沫板中心通过紧固螺丝连接，两个所述钢片通过胶粘剂与所述泡沫板粘接固定；所述动力活塞包括橡胶层和设置于所述橡胶层上下两面的钢板层，两个所述钢板层和所述橡胶层中心通过紧固螺丝连接，两个所述钢板层通过胶粘剂与所述橡胶层粘接固定。
11.优选地，所述顶板和所述底板的材质为铝合金，所述环形侧板的材质为有机玻璃，所述第一连杆和所述第二连杆均由钢板制作而成，所述曲轴采用高强度钢制作而成。
12.优选地，所述顶板和所述底板之间通过多根螺杆固定连接，所述顶板和所述底板与所述环形侧板的接缝处通过密封胶密封；所述移气活塞杆与所述底板通过密封圈实现滑动密封连接，所述动力活塞与所述环形缸筒通过密封圈实现滑动密封连接。
13.优选地，所述平板集热器包括紫铜基体，所述紫铜基体表面喷涂有吸光碳纳米管。
14.本发明还提供一种月球基地原位制备生命保障物质的系统，包括以上所述的空间温差发电装置，还包括含冰月壤钻取装置、含冰月壤加热与盛水装置、水电解与氢气-氧气盛装装置、氢氧燃料电池以及氢气还原炉；所述空间温差发电装置输出交流电，所述氢氧燃料电池输出直流电，所述空间温差发电装置的输出端还连有接整流器，以将交流电整流为直流电；所述含冰月壤钻取装置用于钻取含冰月壤，所述含冰月壤加热与盛水装置包括用于将含冰月壤中水分加热并冷凝的含冰月壤加热冷凝装置以及用于存储冷凝水的盛水容器；所述水电解与氢气-氧气盛装装置包括用于电解冷凝水的水电解装置以及分别用于存储电解水产生的氢气和氧气的氢气罐和氧气罐，所述氢气罐和所述氧气罐分别通过气阀与所述氢氧燃料电池连接；所述氢气还原炉由所述氢气罐和所述氧气罐分别提供氢气和氧气进行加热，并由所述氢气罐提供氢气作为还原气，所述氢气还原炉用于将月球月海矿物中的金属还原而出并得到液态水以储存于所述盛水容器中。
15.本发明还提供一种月球基地原位制备生命保障物质的方法，基于以上所述的月球基地原位制备生命保障物质的系统，包括以下步骤：通过所述含冰月壤钻取装置开采月球南极阴影区含冰月壤，将含冰月壤置于所述含冰月壤加热冷凝装置中加热并冷凝得到冷凝水，将冷凝水存储于所述盛水容器中，所述水电解装置电解冷凝水，将产生的氢气和氧气分别存储于所述氢气罐和所述氧气罐中，将月球月海矿物加入所述氢气还原炉中并加热，利用氢气作为还原气，反应得到金属和水；在月昼时，由所述空间温差发电装置发电供应各用电端，在月夜或其他情况下，由所述氢氧燃料电池供电。
16.优选地，所述氢气还原炉内的反应温度为1200℃～1300℃，反应时间为3～4h，所述水电解装置电解水的温度为70℃～80℃，所述水电解装置电解水用的催化剂为月球钙钛矿catio3。
17.优选地，月球月海矿物包括钛铁矿、钙钛矿、硅酸镁，利用氢气作为还原气，反应得到金属铁、钛、镁和水。
18.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
19.本发明提供的月球基地原位制备生命保障物质的系统与方法，采用空间温差发电装置，利用空间温差发电装置在月球表面上时的向阳面与背阳面的剧烈的温差，带动曲轴高效运转，从而通过发电机将机械功转换为电能，为月球基地建设提供电能，相较于太阳能电池板发电，具有效率更高、更环保的优势，并且占用体积小；空间温差发电装置相较于薄的太阳能电池板而言，其强度更高，不易受损，而且，由于体积小巧，可以直接制作在探测器的表面，可以在地面上调试好再进行发射，增加系统的可靠性；相同的表面积下空间温差发电装置的功率是太阳能电池板的多倍，因此可以将发电系统做的更精致，整个探测器的质量将变得更轻；本发明可以利用月球上原有的含冰月壤和矿物制备出氢气、氧气、金属材料和水，为月球基地建设及运营提供基本物质保障，经济成本低，具备技术可行性。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明提供的空间温差发电装置的立体结构示意图；
22.图2为本发明提供的空间温差发电装置的结构原理图；
23.图3为本发明提供的空间温差发电装置中的移气活塞与第一连杆的结构示意图；
24.图4为本发明提供的空间温差发电装置中的动力活塞与第二连杆的结构示意图；
25.图5为本发明提供的空间温差发电装置中的曲轴的结构示意图；
26.图6为本发明在月球发电的流程图；
27.图7为本发明在月球原位制备水、氧气、氢气及金属单质的流程图；
28.图中：1-热置换气缸、2-动力气缸、3-曲轴、4-发电机、5-顶板、6-底板、7-环形侧板、8-移气活塞、9-移气活塞杆、10-第一连杆、11-移气曲柄、12-注入口、13-环形缸筒、14-动力活塞、15-铰支架、16-第二连杆、17-动力曲柄、18-轴承架。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.本发明的目的是提供一种月球基地原位制备生命保障物质的系统与方法，以解决现有技术存在的问题，能够利用月球能源和资源原位制备月球基地生命保障物质，经济成
本低，具备技术可行性。
31.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
32.实施例一
33.如图1-图5所示，本实施例提供一种空间温差发电装置，包括热置换气缸1、动力气缸2、曲轴3和发电机4，热置换气缸1包括顶板5、底板6、环形侧板7和移气活塞8，顶板5和底板6分别密封连接在环形侧板7的顶端和底端，顶板5的顶面上安装有平板集热器，底板6的底面上安装动力气缸2，且动力气缸2与热置换气缸1内部连通，移气活塞8设置于环形侧板7内并位于顶板5和底板6之间，移气活塞8外周面与环形侧板7内周面存在移气间隙，移气活塞8上连接有移气活塞杆9，移气活塞杆9穿过底板6与第一连杆10一端转动连接，第一连杆10另一端与曲轴3上的移气曲柄11转动连接，底板6上还设有注入口12，注入口12用于向热置换气缸1内充填工质，动力气缸2包括环形缸筒13和滑动密封于环形缸筒13内的动力活塞14，动力活塞14远离移气活塞8的一面上连接有铰支架15，铰支架15与第二连杆16一端转动连接，第二连杆16另一端与曲轴3上的动力曲柄17转动连接，动力曲柄17与移气曲柄11呈90
°
夹角，曲轴3与发电机4的输入轴传动连接。
34.本实施例中的空间温差发电装置在月球表面工作，月昼时，向阳面温度接近107℃，背阳面温度接近零下153℃，两面温差约250k，若在向阳面加装集热装置(平板集热器)，则温差将达到400k以上，向阳面与背阴面充当了加热器与冷却器，且两面剧烈的温差足以使发电机4高效运转。工作过程如下：阳光照射到顶板5，平板集热器将光能转化为热能，热能通过顶板5传到内部工质，工质受热膨胀向底板6移动，同时推动移气活塞8向底板6移动，并推动动力活塞14膨胀；热空气来到底板6附近，受到冷却，体积减小，动力活塞14收缩，使得移气活塞8向底板6移动，将冷空气挤向顶板5，完成一次循环，曲轴3转动一圈。在循环的过程中，通过移气活塞8和动力活塞14的上下移动将动力输出到曲轴3，曲轴3带动发电机4发电，电能用于工作或者储存起来，整个发电过程结束。
35.工质应有良好的导热性和较大的比热容，以迅速吸收、释放热量，且应具有密度小、质量轻，在150k到800k间活性低、能够稳定存在且不发生相变的特点。
36.氮气化学性质稳定，其部分性质参数如表1所示，是满足上述要求的良好工质。
37.表1氮气的性质
38.熔点/k14沸点/k20气体定压比热容/[kj/(kg
·
k)]14.05气体定容比热容/[kj/(kg
·
k)]9.934气体相对密度(1atm)0.0899
[0039]
发电机4需要有较高的工作效率以及较轻的重量，可采用华弘辉品牌的37gb-555型号电机，效率平均为92.6％，电压12v，转速200转。
[0040]
底板6上固定设有轴承架18，曲轴3通过轴承转动连接于轴承架18上，提高曲轴3的工作稳定性。
[0041]
移气活塞8包括泡沫板和设置于泡沫板上下两面的钢片，两个钢片和泡沫板中心通过紧固螺丝连接，两个钢片通过胶粘剂与泡沫板粘接固定，使得移气活塞8具备了较好的
机械性能和隔热效果，其中，移气活塞8的直径优选为18cm，总厚度优选为2.5cm，单个钢片的厚度优选为0.1cm，移气活塞杆9焊接固定在钢片中部，移气活塞杆9的直径优选为0.5cm，高优选为1.4cm；动力活塞14包括橡胶层和设置于橡胶层上下两面的钢板层，两个钢板层和橡胶层中心通过紧固螺丝连接，两个钢板层通过胶粘剂与橡胶层粘接固定，使得动力活塞14具备了较好的机械性能和隔热性能，其中，动力活塞14的直径优选为2cm，总厚度优选为0.5cm，单个钢板层的厚度优选为0.1cm，橡胶层的厚度优选为0.3cm，铰支架15上的孔直径优选为0.18cm，用于和第二连杆16通过销轴连接。
[0042]
顶板5和底板6的材质为铝合金，环形侧板7的材质为有机玻璃，第一连杆10和第二连杆16均由钢板制作而成，曲轴3采用高强度钢制作而成，使得顶板5和底板6具有较好的导热性和耐热性，使得环形侧板7具有较好的绝热性能和较好的刚性，并保证第一连杆10、第二连杆16和曲轴3具有较高的强度。其中，顶板5和底板6的直径均优选为22cm，厚度均优选为0.5cm，环形侧板7的外径优选为20cm，内径优选为19cm。
[0043]
顶板5和底板6之间通过多根螺杆固定连接，顶板5和底板6与环形侧板7的接缝处通过密封胶密封；移气活塞杆9与底板6通过密封圈实现滑动密封连接，动力活塞14与环形缸筒13通过密封圈实现滑动密封连接，通过多根螺杆固定连接顶板5和底板6，结构更加稳定，采用密封胶密封保证连接的气密性，采用密封圈能够在滑动的同时保证其气密性。
[0044]
平板集热器包括紫铜基体，紫铜基体表面喷涂有吸光碳纳米管，具有较好的导热性和高的表面吸光性能，以更加高效地实现光热转换。其中，紫铜基体的厚度优选为0.3cm。
[0045]
实施例二
[0046]
如图1-图7所示，本实施例提供一种月球基地原位制备生命保障物质的系统，包括实施例一中所述的空间温差发电装置，还包括含冰月壤钻取装置、含冰月壤加热与盛水装置、水电解与氢气-氧气盛装装置、氢氧燃料电池以及氢气还原炉；空间温差发电装置输出交流电，氢氧燃料电池输出直流电，空间温差发电装置的输出端还连有接整流器，以将交流电整流为直流电；含冰月壤钻取装置用于钻取含冰月壤，含冰月壤加热与盛水装置包括用于将含冰月壤中水分加热并冷凝的含冰月壤加热冷凝装置以及用于存储冷凝水的盛水容器；水电解与氢气-氧气盛装装置包括用于电解冷凝水的水电解装置以及分别用于存储电解水产生的氢气和氧气的氢气罐和氧气罐，氢气罐和氧气罐分别通过气阀与氢氧燃料电池连接；氢气还原炉由氢气罐和氧气罐分别提供氢气和氧气进行加热，并由氢气罐提供氢气作为还原气，氢气还原炉用于将月球月海矿物中的金属还原而出并得到液态水以储存于盛水容器中。
[0047]
月球基地选址在月球南极，安装空间温差发电装置，利用空间温差发电装置在月球表面上时的向阳面与背阳面的剧烈的温差，带动曲轴3高效运转，从而通过发电机4将机械功转换为电能，为月球基地建设提供电能，相较于太阳能电池板发电，具有效率更高、更环保的优势，并且占用体积小；空间温差发电装置相较于薄的太阳能电池板而言，其强度更高，不易受损，而且，由于体积小巧，可以直接制作在探测器的表面，可以在地面上调试好再进行发射，增加系统的可靠性；相同的表面积下空间温差发电装置的功率是太阳能电池板的多倍，因此可以将发电系统做的更精致，整个探测器的质量将变得更轻；采用水电解装置和氢气还原炉，可以利用月球上原有的含冰月壤和矿物制备出氢气、氧气、金属材料和水，为月球基地建设及运营提供基本物质保障，经济成本低，具备技术可行性。
[0048]
一种月球基地原位制备生命保障物质的方法，基于以上所述的月球基地原位制备生命保障物质的系统，包括以下步骤：通过含冰月壤钻取装置开采月球南极阴影区含冰月壤，将含冰月壤置于含冰月壤加热冷凝装置中加热并冷凝得到冷凝水，将冷凝水存储于盛水容器中，水电解装置电解冷凝水，将产生的氢气和氧气分别存储于氢气罐和氧气罐中，将月球月海矿物加入氢气还原炉中并加热，利用氢气作为还原气，反应得到金属和水；在月昼时，由空间温差发电装置发电供应各用电端，在月夜或其他情况下，由氢氧燃料电池供电。
[0049]
氢气还原炉内的反应温度为1200℃～1300℃，反应时间为3～4h，水电解装置电解水的温度为70℃～80℃，水电解装置电解水用的催化剂为月球钙钛矿catio3，催化剂钙钛矿粒度0～5μm，水电解的反应式如下：
[0050][0051]
其中，水电解设备优选为pem隔膜电解槽，电解的参数优选包括：电解槽500l，电流为2000a，电压为15v，每小时消耗水60千克，电解得到纯度为5n的氧气和氢气60～200nm3，压力为3.5mpa。
[0052]
月球月海矿物包括钛铁矿、钙钛矿、硅酸镁，利用氢气作为还原气，反应得到金属铁、钛、镁和水。利用月球月海玄武岩中硅酸镁、钛铁矿和钙钛矿，利用氢气作为还原剂，在1200～1300℃，陆续得到金属铁、金属钛，并在结晶器上得到金属镁，通过冷凝得到液态水，进入储水罐。完成一炉后，立刻打开排料阀，矿渣与铁和钛进入排料车，到排渣场分离，得到铁和钛，矿渣倒入专门矿渣场地，在加料，通氢气，进入下一个循环。反应在密闭还原炉中进行，首先是钛铁矿和钙钛矿在1200～1300℃，氢气还原，得到金属铁和二氧化钛和氧化钙及水；硅酸镁矿物与氢气反应生成单质硅和mgo
·
sio2和水；同时氧化钙与mgo
·
sio2发生反应生成cao
·
sio2和mgo；单质硅与mgo反应生成金属镁与sio2；氢气与sio2反应生成单质硅和水；在氢还原气氛下，金属镁与tio2反应生成金属钛和mgo。因此，在月球高真空环境下，不断有金属铁、金属钛生成，气态金属镁冷凝得到固态金属镁，水蒸汽冷凝成液态水或冰，水进一步在钙钛矿催化剂条件和75℃条件下，电解得到氢气和氧气。氢气还原炉内反应式如下：
[0053][0054]
其中，月球月海矿物的粒度优选小于1mm，更优选为1～30μm。氧气、氢气和水循环利用，干燥的气态氧输送到冷库液化并贮存。
[0055]
本发明将所述钛铁合金进行精炼，得到钛单质和铁单质。本发明对所述精炼的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
[0056]
为了进一步说明本发明，下面结合具体实例对本发明提供的在月球原位制备水、氧气、氢气及金属单质的方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
[0057]
在本实施例中使用月海玄武岩月壤或仿真样，包含以下质量分数的成分：sio
2 38.2～39.01％，tio
2 5.21～11.32％，al2o
3 3.02～5.24％，feo 15.32～18.52％，mgo 8.12～12.61％，cao 9.31～10.86％，余量为杂质。粒度小于1mm。
[0058]
具体制备过程如下：
[0059]
(1)首先利用挖掘机、钻取机把阴影区含冰月壤挖出并装入密闭型号为bh550高温水渣分离装置(加热冷凝装置)中，利用太阳能空间温差发电装置逐渐加热到400～600℃，将水蒸气冷凝后的水装入盛水容器中。
[0060]
(2)把月海矿物运输到矿物存储场，矿物含量为sio
2 39.01wt％，tio
2 11.32wt％，al2o
3 3.24wt％，feo 18.52wt％，mgo 14.61wt％，cao 10.86wt％，余量为杂质。
[0061]
(3)把月海矿物装入氢气还原炉，加热到1200～1300℃，通入氢气，还原5～6小时，排出铁、钛及渣，收集剩余水蒸气和氢气到集气管，冷却至100℃，氢气与水分开，氢气输送到氢气罐，水净化后送入水电解槽，取下镁结晶器，取出金属镁。
[0062]
(4)把净化水注入水电解槽，电解槽为pem隔膜电解槽，电解参数：电解槽500l，电流2000a，电压15v，每小时消耗水60kg，电解得到h2和o260～200nm3/h，压力为3.5mpa，纯度5n，电解温度75℃。
[0063]
(5)钛铁熔在一块，钛铁合金进一步精炼，得到单质钛和单质铁。
[0064]
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。