Способ получения материалов, применимых для жизнеобеспечения пилотируемых космических полетов на марс, посредством использования местных ресурсов

Группа изобретений предназначена для жизнеобеспечения пилотируемых космических полетов на Марс. Физико-химическая секция предназначена для получения кислорода, воды, оксида углерода, аммиака и удобрений на основе азота. Биологическая секция предназначена для получения съедобной биомассы. Комплект материалов и устройств содержит физико-химическую и биологическую группы секций для использования на марсианском грунте. В качестве источника сырья используют атмосферу Марса и реголит. Обеспечивается получение кислорода, воды, оксида углерода, аммиака, удобрений на основе азота и съедобной биомассы из доступных на месте ресурсов. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил., 32 табл.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу, в котором используют природные ресурсы, доступные на Марсе, для получения материалов, применимых для жизнеобеспечения пилотируемых космических полетов на Марс, а также комплект материалов и устройство для его осуществления.

Уровень техники

Хорошо известно, что NASA проявляет интерес к совершению пилотируемых полетов на астероиды, Луну и Марс в ближайшие 40 лет. В частности, NASA недавно анонсировало полет на Луну к 2020 году и на Марс после 2030 года.

Конкретно, в рамках текущих программ космических исследований хорошо известны сокращенные названия ISRU (использование ресурсов in situ) и ISFR (изготовление и ремонт in situ). Первое сокращенное название относится к использованию ресурсов, уже имеющихся на Луне, Марсе и/или астероиде, тогда как второе название обращено к разработке технологий технического обслуживания производства и ремонта, которые создают возможность для увеличения длительности пилотируемых полетов и снижения стоимости.

В таких рамках разработаны новые технологии получения пищи и воды при помощи рециркуляции жидких и твердых отходов, производимых астронавтами. Указанные технологии включают в себя выработку энергии исходя из возобновляемых источников, а также улавливание и рециркуляцию CO₂, который образует, например, марсианскую атмосферу.

Поскольку вышеупомянутые цели касались задач, требующих разрешения, в рамках исследовательской деятельности, осуществляемой по поручению Международной космической станции (ISS), была разработана серия технологий, обычно называемых сокращенным наименованием ECLSS - Система контроля за состоянием окружающей среды и жизнеобеспечения (JF Lewis, et al. International space station (ISS) Environmental controls and life support system (ECLSS) manual oxygen management. In: International Conference on Environmental Systems, Rome, Italy, (2005)).

Существующие системы ECLSS не являются полностью самоподдерживающимися, что требует таким образом встраивания внешних каналов поступления кислорода, пищи и воды для удовлетворения потребностей астронавтов. С 1988 года в целях воплощения моделей ECLSS в реальном масштабе ESA (Европейское космическое агентство) работает над проектом MELISSA (Альтернативный вариант микросистемы экологического жизнеобеспечения), который включает в себя реализацию процесса замкнутого цикла (т.е. получение всех материалов, необходимых для экипажа, только посредством рециркуляции отходов и энергии) с целью создания внутри кабины экипажа подходящих условий, которые обеспечивают возможность выживания членам экипажа и действуют в течение долговременных полетов на Луну и Марс (Mergeay, М., Verstraete, W. MELISSA: а microorganism based model for CELSS development, in: Proceedings of the Third Symposium on Space Thermal Control & Life Support System. Noordwijk, The Netherlands, pp. 65-68, 1988).

Хотя конечная цель проекта MELISSA заключается в достижении состояния самоподдерживающейся системы, результаты модельной имитации показали, что даже минимальная цель получения 100% кислорода и 20% пищи, необходимых для членов экипажа, посредством рециркуляции отходов не достижима при помощи существующей технологии (L. Poughon, L., Farges, В., Dussap, C.G., Godia, F., Lasseur, С."Simulation of the MELiSSA closed loop систем as a tool to define its integration strategy" Advances in Space Research, 44, 1392-1403 (2009).

Поэтому необходимы новые способы получения таких продуктов, как вода, кислород, ракетные топлива, удобрения, съедобная биомасса и овощи исходя из марсианских ресурсов, способы, которые в результате синергетического действия совместно с имеющимися технологиями ECLSS, создают возможность разработки самоподдерживающейся системы с замкнутым циклом, в которой преодолены недостатки, описанные выше для существующих технологий.

Сущность изобретения

Цель, указанная выше, достигается посредством способа получения кислорода, воды, оксида углерода, аммиака, азотных удобрений и съедобной биомассы на марсианском грунте при помощи использования доступных ресурсов in situ, при этом упомянутый способ включает в себя наличие двух секций, а именно, физико-химической секции для получения кислорода, воды, оксида углерода, аммиака и удобрений на основе азота, а также биологической секции для получения съедобной биомассы.

Конкретно, упомянутая физико-химическая секция заключает в себе осуществление следующих стадий:

a) компоновку на марсианской поверхности по меньшей мере одного геодезического купола для размещения блоков установки, работающих внутри помещения;

b) компоновку вне помещения фотоэлектрических панелей с целью выработки энергии, необходимой для нагрева пространства по меньшей мере внутри одного купола, и для узла снабжения энергией упомянутых блоков установки;

c) компоновку вне помещения адсорбционного блока с переменным температурным режимом (адсорбера с циклически изменяющейся температурой или TSA) и твердотельного осушителя (реактора адсорбции водяного пара или WAVAR);

d) вдувание находящегося под избыточным давлением марсианского CO₂ по меньшей мере в один упомянутый купол через TSA до достижения величины внутреннего давления не менее 0,8 бар;

e) нагревание внутреннего пространства по меньшей мере одного упомянутого купола до достижения температуры не менее 10°C при помощи систем нагрева, снабжаемых энергией указанными фотоэлектрическими панелями;

f) компоновку структуры для механической защиты блоков установки, работающих вне помещения;

g) размещение по меньшей мере внутри одного купола блоков установки для получения удобрений;

h) подачу газа, состоящего из марсианской атмосферы, в блок WAVAR, который работает вне помещения, для извлечения атмосферной воды;

i) выемку и транспортировку марсианского реголита в систему, находящуюся внутри помещения и называемую МРО (микроволновая печь Pizza), для извлечения адсорбированной воды и гидратной воды минералов под действием микроволн;

j) подачу воды, извлеченной из марсианской газообразной среды, в резервуар для хранения;

k) разделение воды, извлеченной из реголита, на три потока, называемых π1, π2 и π3;

1) подачу потока π1 воды в электролизер, работающий вне помещения, для получения двух отдельных потоков H₂ и O₂;

m) подачу дегидратированной атмосферы, выходящей из блока WAVAR, в систему TSA отделения и создания избыточного давления CO₂ на основе циклов адсорбции-десорбции при переменных температурах на цеолитных материалах с одновременным формированием второго газового потока, который по существу состоит из N₂ и Ar;

n) подачу отделенного и находящегося под избыточным давлением CO₂ в электролизер для получения O₂ и газового потока, состоящего из смеси СО и CO₂, подлежащего хранению и используемого в качестве ракетного топлива для работы за бортом;

o) подачу второго потока, выделенного из TSA, который по существу состоит из N₂ и Ar, вместе с H₂, полученным электролизом воды, в реактор, который обеспечивает возможность получения электросинтезом газообразного аммиака (NH₃) с одновременным формированием потока Ar, который является инертным в процессе реакции, приводящей к образованию NH₃;

p) разделение потока полученного NH₃ на два потока, называемых θ1 и θ2;

q) подачу потока Ar, поступающего со стадии (o) электросинтеза, вместе с потоком θ1 продукта NH₃ (p), с кислородом, полученным на стадии (1), с потоком π2 воды полученным на стадии (k), в блок получения азотной кислоты (HNO₃), который действует на основе способа Оствальда, и при этом отходящий газ состоит главным образом из Ar;

r) разделение потока полученной HNO₃ на два потока, называемых ρ1 и ρ2;

s) дополнительное разделение потока θ2 продукта NH₃, полученного на стадии (p), на два потока, называемых θ2′ и θ2″;

t) подачу потока θ2′ в резервуар для хранения, из которого отбирают NH₃, подлежащий использованию в качестве ракетного топлива для работы за бортом или в качестве удобрения для гидропоники;

u) подачу потока ρ1 продукта HNO₃ вместе с потоком θ2″ продукта NH₃, полученным на стадии (s), в реактор для абсорбции и нейтрализации, что обеспечивает возможность получения нитрата аммония (NH₄NO₃), подлежащего использованию в качестве удобрения.

Упомянутая биологическая секция заключает в себе осуществление следующих стадий:

а′) компоновку на марсианской поверхности по меньшей мере одного геодезического купола для размещения блоков установки, работающих внутри помещения;

b′) компоновку вне помещения фотоэлектрических панелей с целью выработки энергии, необходимой для нагрева пространства по меньшей мере внутри одного купола и для узла снабжения энергией упомянутых блоков установки;

с′) компоновку вне помещения адсорбционного блока с переменным температурным режимом (адсорбера с циклически изменяющейся температурой или TSA) и твердотельного осушителя (реактора адсорбции водяного пара или WAVAR);

d′) вдувание находящегося под избыточным давлением марсианского CO₂ по меньшей мере в один упомянутый купол через TSA до достижения величины внутреннего давления не менее 0,8 бар;

е′) нагревание внутреннего пространства по меньшей мере одного упомянутого купола до достижения температуры не менее 10°C при помощи систем нагрева, снабжаемых энергией упомянутыми фотоэлектрическими панелями;

f′) выемку и транспортировку марсианского реголита в систему, находящуюся внутри помещения и называемую МРО (микроволновая печь Pizza), для извлечения адсорбированной воды и гидратной воды минералов под действием микроволн;

g′) смешивание полученной воды с соответствующими количествами азотной кислоты, полученной в упомянутой физико-химической секции;

h′) разделение дегидратированного реголита, полученного на стадии (f′), на два отдельных потока твердых частиц, называемых и ;

i′) подачу воды, смешанной с азотной кислотой, полученной на стадии (g′), вместе с потоком $${\tau }_1^{\text{'}}$$ твердых частиц реголита в реактор выщелачивания для переноса питательных микро- и макроэлементов из твердой фазы в жидкую;

j′) подачу смеси твердых частиц и жидкости (взвеси), поступающей из реактора выщелачивания, в систему фильтрации для отделения твердых частиц, называемых «выщелоченным реголитом», от жидкости, обогащенной питательными микро- и макроэлементами, называемой «культуральным бульоном»;

k′) подачу марсианской атмосферы в блок TSA отделения и создания избыточного давления CO₂ на основе циклов адсорбции-десорбции при переменных температурах на цеолитных материалах с одновременным формированием второго газового потока, который по существу состоит из N₂ и Ar;

l′) хранение содержимого упомянутого второго газового потока N₂ и Ar, полученного на стадии (k′), в подходящих контейнерах, из которых его можно отбирать для применения в качестве буферного газа в аналитическом устройстве, используемом на стадиях отбора образцов, выполняемых с научными целями в продолжение полета;

m′) приготовление инокулята подходящих разновидностей водорослей, привезенных с Земли;

n′) подачу «культурального бульона», полученного на стадии (j′), вместе с находящимся под избыточным давлением потоком CO₂, полученным на стадии (k′), вместе с HNO₃, полученной в упомянутой физико-химической секции, и инокулятом, полученным на стадии (m′) по меньшей мере в один фотобиореактор, который используют для стимулирования роста водорослей;

о′) осуществление абсорбции CO₂ в жидкой фазе при помощи систем на основе гидропневматических насосов («эрлифт»), которые обеспечивают возможность надлежащего смешивания компонентов, подаваемых в фотобиореактор, и адекватной циркуляции смеси водорослей и культуральной среды, называемой «биологической взвесью»;

p′) воздействие по меньшей мере на один фотобиореактор источника света, способного активировать фотосинтез, что в результате приводит тем самым к образованию новой фотосинтетической биомассы водорослей и кислорода;

q′) отделение биомассы водорослей от культурального бульона центрифугированием и от кислорода дегазацией;

r′) хранение кислорода, который подают в секции ECLSS (Система контроля за состоянием окружающей среды и жизнеобеспечения), в герметически закрытом и находящемся под избыточным давлением резервуаре, и дополнительное обезвоживание биомассы водорослей с целью использования ее в качестве пищи или пищевой добавки;

s′) перенесение культурального бульона, отработанного на стадии q′), вместе с нитратом аммония (NH₄NO₃), полученным в физико-химической секции, выщелоченным реголитом, полученным на стадии (j′), с соответственными количествами гуминовой и фульвовой кислот, привезенных с Земли, и человеческими метаболическими отходами в купола, где выращивают плантации для производства пищевых продуктов.

В другом аспекте настоящее изобретение относится к комплекту материалов и устройству для осуществления способа изобретения, включающему в себя две группы частей, называемых «физико-химической» группой и «биологической» группой. «Физико-химическая» группа комплекта включает в себя:

- по меньшей мере один геодезический купол для размещения различных блоков, используемых в физико-химической секции способа;

- по меньшей мере одну фотоэлектрическую панель для выработки энергии с целью нагрева атмосферы по меньшей мере внутри одного купола и функционирования блоков установки, описанных ниже;

- по меньшей мере один блок TSA, состоящий по меньшей мере из одного слоя адсорбента цеолита и по меньшей мере одного радиатора с функцией обеспечения теплообмена с естественной окружающей средой Марса в целях создания возможности осуществления адсорбционно-десорбционных циклов при переменной температуре для отделения CO₂ от других газовых компонентов марсианской атмосферы (главным образом, N₂ и Ar) и создания избыточного давления отделенного CO₂, а также вдувания и установления того же давления CO₂ по меньшей мере в одном куполе;

- по меньшей мере один блок WAVAR на основе использования цеолитов и процесса адсорбции с последующей десорбцией под действием микроволн для извлечения воды, присутствующей в марсианской атмосфере;

- по меньшей мере один резервуар для хранения воды, извлеченной из атмосферы Марса;

- по меньшей мере один экскаватор и по меньшей мере одну конвейерную ленту для выемки грунта и транспортировки марсианского реголита в блок для его переработки;

- по меньшей мере один блок МРО, заключающий в себе по меньшей мере один магнетрон для извлечения адсорбированной и гидратной воды из марсианского реголита с использованием микроволнового нагрева;

- по меньшей мере один трубчатый соединитель с тремя выходными каналами для разделения воды, извлеченной из реголита, на три потока, называемых π1, π2 и π3;

- по меньшей мере один электролизер для электролиза воды потока π1 и получения водорода и кислорода;

- по меньшей мере один электролизер для электролиза CO₂ и получения отделенного кислорода, а также смеси CO и CO₂;

- по меньшей мере один блок, состоящий по меньшей мере из одного реактора электросинтеза с твердым электролитом (твердооксидный топливный элемент) для получения аммиака из газа с высоким содержанием N₂ и Ar, полученного в блоке TSA, и водорода, полученного электролизом воды;

- по меньшей мере один блок, состоящий из соединителя "Т-образной формы" для разделения потока полученного аммиака на два потока, называемых θ1 и θ2;

- по меньшей мере один блок для получения азотной кислоты (HNO₃) по способу Оствальда из Ar, NH₃, H₂O, O₂, при этом упомянутый блок заключает в себе по меньшей мере один каталитический реактор, по меньшей мере одну абсорбционную башню и по меньшей мере одну систему для отгонки «NOx»;

- по меньшей мере один блок, состоящий из соединителя «Т-образной формы», для разделения потока полученной азотной кислоты (HNO₃) на два потока, называемых ρ1 и ρ2;

- по меньшей мере один блок, состоящий из соединителя «Т-образной формы» для разделения потока θ2 на два дополнительных потока, называемых θ2′ и θ2″;

- по меньшей мере один резервуар для хранения полученного NH₃; и

- по меньшей мере один газо-жидкостной реактор, работающий в непрерывном режиме, для получения NH₃ и NH₄NO₃ из HNO₃.

«Биологическая» группа включает в себя:

- по меньшей мере один геодезический купол для размещения различных блоков, используемых в биологической секции способа;

- по меньшей мере одну фотоэлектрическую панель для выработки энергии с целью нагрева газообразной среды, по меньшей мере внутри одного купола и функционирования блоков установки, описанных ниже;

- по меньшей мере один блок TSA, состоящий по меньшей мере из одного слоя адсорбента цеолита и по меньшей мере одного радиатора с функцией обеспечения теплообмена с естественной окружающей средой Марса в целях создания возможности осуществления адсорбционно-десорбционных циклов при переменной температуре для отделения CO₂ от других газовых компонентов марсианской атмосферы (главным образом, N₂ и Ar) и создания избыточного давления отделенного CO₂, а также вдувания и установления того же давления CO₂ по меньшей мере в одном куполе;

- по меньшей мере один экскаватор и по меньшей мере одну конвейерную ленту для выемки грунта и транспортировки марсианского реголита в блок его переработки;

- по меньшей мере один блок МРО, заключающий в себе по меньшей мере один магнетрон для извлечения адсорбированной и гидратной воды из марсианского реголита с использованием микроволнового нагрева;

- по меньшей мере один блок смешивания воды, извлеченной из реголита, с подходящими количествами азотной кислоты, полученной в физико-химической секции;

- по меньшей мере один блок, состоящий из двухполосной конвейерной ленты для разделения дегидратированного реголита на два потока твердых частиц, называемых $${\tau }_1^{\text{'}}$$ и $${\tau }_2^{\text{'}}$$ ;

- по меньшей мере один реактор, работающий в непрерывном режиме, для выщелачивания потока $${\tau }_1^{\text{'}}$$ твердых частиц реголита смесью воды и азотной кислоты;

- по меньшей мере один блок, состоящий из «пластинчатого фильтра», для разделения твердое тело/жидкость, которое выполняют во взвеси, выходящей из реактора выщелачивания, а также непрерывного получения «культурального бульона» и потока «выщелоченного реголита»;

- по меньшей мере один резервуар для хранения газа на основе N₂ и Ar, полученного в предыдущем блоке в результате отделения от CO₂;

- по меньшей мере один из следующих видов водорослей: Gloeocapsa strain OU_20, Leptolyngbya OU_13 strain, Phormidium strain OU_10, Chroococcidiopsis 029; Arthrospira platensis, Synechococcus elongatus, Anabaena cylindrical; Chlorella vulgaris; Nannochloris Eucaryotum или генетически модифицированные разновидности;

- по меньшей мере один блок приготовления инокулята разновидностей водорослей;

- по меньшей мере один фотобиореактор для получения биомассы водорослей, в котором культуральный бульон осуществляет контактирование инокулята водорослей с азотной кислотой и газовым потоком, имеющим высокое содержание CO₂, называемым θ2;

- по меньшей мере один гидропневматический насос типа «эрлифт» для абсорбции CO₂ в жидкой фазе, достижения надлежащей степени смешивания между компонентами, направляемыми в фотобиореактор, и циркуляции "биологической взвеси";

- по меньшей мере один блок отделения биомассы водорослей и кислорода, полученных в фотобиореакторе, от отработанного культурального бульона;

- по меньшей мере один резервуар для хранения кислорода, полученного с помощью фотобиореактора;

- по меньшей мере один блок обезвоживания биомассы водорослей, и

- по меньшей мере один геодезический купол, подлежащий использованию в качестве теплицы для выращивания съедобных растений.

Как будет очевидно из следующего ниже подробного описания, комплект материалов и устройство, а также способ с их применением позволяют получать кислород, воду, оксид углерода, аммиак, азотные удобрения и съедобную биомассу на марсианском грунте при использовании природных ресурсов, доступных in situ.

Краткое описание чертежей

Признаки и преимущества изобретения будут очевидны из следующего ниже подробного описания, из демонстрационного примера, предназначенного для иллюстративных, а не ограничивающих целей, и из прилагаемых фигур, в которых:

- на фигуре 1 показано, что технологическая схема «физико-химической» секции представлена согласно примеру настоящего изобретения;

- на фигуре 2 показано, что технологическая схема «биологической» секции представлена согласно примеру настоящего изобретения; и

- на фигуре 3 отображена концентрация биомассы водорослей, достигаемая в продолжение определенных экспериментальных испытаний, как функция времени культивирования.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение относится к способу, а также комплекту материалов и устройству для получения кислорода, воды, оксида углерода, аммиака, азотного удобрения, съедобной биомассы и пищи исходя из марсианских ресурсов для жизнеобеспечения средне/долгосрочных пилотируемых космических полетов на Марс.

Способ и комплект, относящиеся к настоящему изобретению, следует воспринимать как систему, которая действует в синергии с системами ECLSS, представляя таким образом их идеальное завершение с целью достижения самоподдерживающейся интегрированной системы. Следовательно, способ основан на использовании марсианских ресурсов, таких как атмосфера, грунт и солнечное излучение, об основных характерных свойствах которых сообщалось в определенных публикациях, среди которых, например, работы: Moroz, V.I., "Chemical composition of the Atmosphere of Mars", Advances in Space Research, 22, 449-457 (1998); и J.F. Bell III, et al. "Mineralogic And Compositional Properties Of Martian Soil And Dust: Results From Mars Pathfinder" J. Geophys. Res., 105, 1721-1755, (2000). В частности, относительно большие количества (около 9% масс./масс.) гидратной воды обнаружены в марсианском грунте (Rieder, R., et al. "Chemistry of Rocks and Soils at Meridiani Planum from the Alpha Particle X-ray Spectrometer" Science 306, 1746-1749 (2004)).

С учетом вышесказанного, изобретение относится к способу, который включает в себя наличие двух различных секций, т.е. «физико-химической секции», где получают кислород, воду, оксид углерода, аммиак, азотные удобрения; и «биологической секции», где получают съедобную биомассу, при этом упомянутая «физико-химическая секция» заключает в себе осуществление следующих стадий:

a) компоновку на марсианской поверхности по меньшей мере одного геодезического купола для размещения блоков установки, работающих внутри помещения;

b) компоновку вне помещения фотоэлектрических панелей для выработки энергии, необходимой для нагрева пространства по меньшей мере внутри одного купола и для узла снабжения энергией упомянутых блоков установки;

c) компоновку вне помещения адсорбционного блока с переменным температурным режимом (адсорбера с циклически изменяющейся температурой или TSA) и твердотельного осушителя (реактора адсорбции водяного пара или WAVAR);

d) вдувание находящегося под избыточным давлением марсианского CO₂ по меньшей мере в один упомянутый купол через TSA до достижения величины внутреннего давления не менее 0,8 бар;

e) нагревание внутреннего пространства по меньшей мере одного упомянутого купола до достижения температуры не менее 10°C при помощи систем нагрева, снабжаемых энергией упомянутыми фотоэлектрическими панелями;

f) компоновку структуры для механической защиты блоков установки, работающих вне помещения;

g) размещение по меньшей мере внутри одного купола блоков установки для получения удобрений;

h) подачу газа, состоящего из марсианской газовой среды, в блок WAVAR, который работает вне помещения, для извлечения атмосферной воды;

i) выемку и транспортировку марсианского реголита в систему, находящуюся внутри помещения и называемую МРО (микроволновая печь Pizza), для извлечения адсорбированной воды и гидратной воды минералов под действием микроволн;

j) подачу воды, извлеченной из марсианской атмосферы, в резервуар для хранения;

k) разделение воды, извлеченной из реголита, на три потока, называемых п1, π2 и π3;

l) подачу потока π1 воды в электролизер, работающий вне помещения, для получения двух отдельных потоков H₂ и O₂;

m) подачу дегидратированной газообразной среды, выходящей из блока WAVAR, в систему TSA отделения и создания избыточного давления CO₂ на основе циклов адсорбции-десорбции при переменных температурах на цеолитных материалах с одновременным формированием второго газового потока, который по существу состоит из N₂ и Ar;

n) подачу отделенного и находящегося под избыточным давлением CO₂ в электролизер для получения O₂ и газового потока, состоящего из смеси СО и CO₂, подлежащего хранению и используемого в качестве ракетного топлива для работы за бортом;

o) подачу второго потока, выделенного из TSA, который по существу состоит из N₂ и Ar, вместе с H₂, полученным электролизом воды, в реактор, который обеспечивает возможность получения газообразного аммиака (NH₃) посредством электросинтеза с одновременным формированием потока Ar, который является инертным в процессе реакции, приводящей к образованию NH₃;

p) разделение потока полученного NH₃ на два потока, называемых θ1 и θ2;

q) подачу потока Ar, поступающего со стадии (o) электросинтеза, вместе с потоком θ1 продукта NH₃ (p), с кислородом, полученным на стадии (1), с потоком π2 воды, полученным на стадии (k), в блок получения азотной кислоты (HNO₃), который действует на основе способа Оствальда, а отходящий газ состоит главным образом из Ar;

r) разделение потока полученной HNO₃ на два потока, называемых ρ1 и ρ2;

s) дополнительное разделение потока θ2 продукта NH₃, полученного на стадии (p), на два потока, называемых θ2′ и θ2″;

t) подачу потока θ2′ в резервуар для хранения, из которого отбирают NH₃, подлежащий использованию в качестве ракетного топлива для работы за бортом или в качестве удобрения для гидропоники;

u) подачу потока ρ1 продукта HNO₃ вместе с потоком θ2″ продукта NH₃, полученным на стадии (s), в реактор для абсорбции и нейтрализации, что обеспечивает возможность получения нитрата аммония (NH₄NO₃), подлежащего использованию в качестве удобрения; и

упомянутая биологическая секция заключает в себе осуществление следующих стадий:

а′) компоновку на марсианской поверхности по меньшей мере одного геодезического купола для размещения блоков установки, работающих внутри помещения;

b′) компоновку вне помещения фотоэлектрических панелей для выработки энергии, необходимой для нагрева пространства по меньшей мере внутри одного купола и для узла снабжения энергией упомянутых блоков установки;

с′) компоновку вне помещения адсорбционного блока с переменным температурным режимом (адсорбера с циклически изменяющейся температурой или TSA) и твердотельного осушителя (реактора адсорбции водяного пара или WAVAR);

d′) вдувание находящегося под избыточным давлением марсианского CO₂ по меньшей мере в один упомянутый купол через TSA до достижения величины внутреннего давления не менее 0,8 бар;

е′) нагревание внутреннего пространства по меньшей мере одного упомянутого купола до достижения температуры не менее 10°C при помощи систем нагрева, снабжаемых энергией упомянутыми фотоэлектрическими панелями;

f′) выемку и транспортировку марсианского реголита в систему, находящуюся внутри помещения и называемую МРО (микроволновая печь Pizza), для извлечения адсорбированной воды и гидратной воды минералов под действием микроволн;

g′) смешивание полученной воды с соответствующими количествами азотной кислоты, полученной в упомянутой физико-химической секции;

h′) разделение дегидратированного реголита, полученного на стадии (f′), на два отдельных потока твердых частиц, называемых $${\tau }_1^{\text{'}}$$ и $${\tau }_2^{\text{'}}$$ ;

i′) подачу воды, смешанной с азотной кислотой, полученной на стадии (g′), вместе с потоком $${\tau }_1^{\text{'}}$$ твердых частиц реголита в реактор выщелачивания для переноса питательных микро- и макроэлементов из твердой фазы в жидкую;

j′) подачу смеси твердых частиц и жидкости (взвеси), поступающей из реактора выщелачивания, в систему фильтрации для отделения твердых частиц, называемых «выщелоченным реголитом», от жидкости, обогащенной питательными микро- и макроэлементами, называемой «культуральным бульоном»;

k′) подачу марсианской газообразной среды в блок TSA отделения и создания избыточного давления CO₂ на основе циклов адсорбции-десорбции при переменных температурах на цеолитных материалах с одновременным формированием второго газового потока, который по существу состоит из N₂ и Ar;

l′) хранение содержимого упомянутого второго газового потока N₂ и Ar, полученного на стадии (k′), в подходящих контейнерах, из которых его можно отбирать для применения в качестве буферного газа в аналитическом устройстве, используемом на стадиях отбора образцов, выполняемых с научными целями в продолжение полета;

m′) приготовление инокулята подходящих разновидностей водорослей, привезенных с Земли;

n′) подачу «культурального бульона», полученного на стадии (j′), вместе с находящимся под избыточным давлением потоком CO₂, полученным на стадии (k′), вместе с HNO₃, полученной в упомянутой физико-химической секции, и инокулятом, полученным на стадии (m′), по меньшей мере в один фотобиореактор, который используют для стимулирования роста водорослей;

о′) осуществление абсорбции CO₂ в жидкой фазе при помощи систем на основе гидропневматических насосов ("airlift"), которые обеспечивают возможность надлежащего смешивания компонентов, подаваемых в фотобиореактор, и адекватной циркуляции смеси водорослей и культуральной среды, называемой «биологической взвесью»;

р′) воздействие по меньшей мере на один фотобиореактор источника света, способного активировать фотосинтез, что в результате приводит тем самым к образованию новой фотосинтетической биомассы водорослей и кислорода;

q′) отделение биомассы водорослей от культурального бульона центрифугированием и от кислорода дегазацией;

r′) хранение кислорода, который подают в секции ECLSS (Система контроля за состоянием окружающей среды и жизнеобеспечения), в герметически закрытом и находящемся под избыточным давлением резервуаре, и дополнительное обезвоживание биомассы водорослей с целью использования ее в качестве пищи или пищевой добавки;

s′) перенесение культурального бульона, отработанного на стадии q′), вместе с нитратом аммония (NH₄NO₃), полученным в физико-химической секции, выщелоченным реголитом, полученным на стадии (j′), с соответственными количествами гуминовой и фульвовой кислот, привезенных с Земли, и человеческими метаболическими отходами в купола, где выращивают плантации для производства пищевых продуктов.

С учетом вышесказанного, способ настоящего изобретения включает в себя первую стадию а), где устанавливают и монтируют купола, в пределах которых работают внутри помещения блоки установки, которые необходимы для воплощения способа. Внутри куполов при помощи процедур, более полно описанных в следующем далее тексте, установлены термобарические условия (температура и давление), при которых агрегатное состояние реагентов и продуктов является совершенно аналогичным состоянию, наблюдаемому для тех же соединений на Земле.

Стадия (b) включает в себя компоновку и развертывание фотоэлектрической системы, которая вырабатывает энергию, необходимую для снабжения ею всего процесса.

Стадия (с) включает в себя компоновку вне помещения по меньшей мере одного адсорбера с циклически изменяющейся температурой (TSA) и по меньшей мере одного твердотельного осушителя (реактора адсорбции водяного пара или WAVAR).

В частности, блок извлечения атмосферной воды Марса (WAVAR) и блок отделения и создания избыточного давления атмосферного CO₂ посредством циклов адсорбции-десорбции при циклически изменяющейся температуре (TSA) будут функционировать вне помещения. Указанные блоки, несмотря на то, что они работают в термобарических условиях Марса, будут механически защищены соответствующими структурами от возможного повреждения, вызванного ударами метеоритов и/или твердых тел, перемещаемых в течение обычных пылевых бурь, характерных для марсианской окружающей среды. Такие структуры можно конструировать in situ с помощью специальных технологий, таких, как например, технология, предложенная в международном патенте (WO 2012/014174 A2).

Стадия (d) включает в себя принудительное вдувание находящегося под избыточным давлением марсианского CO₂ внутрь куполов при помощи блоков TSA до достижения внутреннего давления, равного по меньшей мере 0,8 бар.

Стадия (е) способа включает в себя повышение температуры внутри куполов по меньшей мере до 10°C, но предпочтительно до значения от 10 до 15°C.

Стадия (f) относится к построению структуры механической защиты оборудования, которое работает вне помещения.

Стадия (g) включает в себя размещение внутри купола блоков установки, которые будут использоваться для получения удобрений. Сразу после установки всех блоков, и внутри, и вне купола, стадия (h) способа включает в себя подачу марсианской газообразной среды по меньшей мере в один блок WAVAR.

Одновременно со стадией (h) выполняют стадию (i) способа. Последняя из указанных стадий включает в себя выемку и транспортировку марсианского реголита в систему, называемую МРО (микроволновая печь Pizza), которая функционирует внутри помещения и обеспечивает возможность извлечения адсорбированной и гидратной воды из минералов с помощью микроволн. Водяной пар, полученный на указанных выше стадиях, можно конденсировать и впоследствии хранить, как предусмотрено на стадии (j), в буферном резервуаре, из которого его можно отбирать в соответствующих количествах для использования на последующих стадиях способа. Затем дегидратированный реголит удаляют из структуры, в которой размещена система МРО, с помощью системы конвейерных лент.

Стадия (k) включает в себя отвод потока воды из буферного резервуара и разделение его на три разных потока, называемых π1, π2 и π3, при посредстве подходящих трубных фитингов.

Как указано на стадии (1), поток π1 подают в электролизер, где с использованием электрической энергии, поставляемой фотоэлектрической системой, осуществляют электролиз воды и последующее получение водорода (H₂) и кислорода (O₂).

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения электролиз воды имеет место внутри электролитической ячейки, снабженной электродами (катодом и анодом) и электролитом для обеспечения возможности прохождения ионов, при электропитании постоянным током.

Стадия (m) способа включает в себя подачу марсианской дегидратированной газообразной среды, полученной, как указано на стадии (h), в систему отделения CO₂ от других присутствующих газов и создание его избыточного давления в зависимости от условий. Предпочтительно, такую стадию выполняют при помощи способа, называемого адсорбцией с циклически изменяющейся температурой (Rapp, D., et al. "Adsorption Compressor for Acquisition and Compression of Atmospheric CO2 on Mars", 33rd AIAA/ASME/SAE/ASEE, Joint Propulsion Conference and Exhibit, (1997)).

При использовании блоков TSA получают поток чистого CO₂, характеризующегося давлением 0,8 бар. Такой блок одновременно производит вторичный газовый поток, состоящий главным образом из N₂ и Ar, который будет использован на последующих стадиях способа. Полученный таким образом при 0,8 бар поток чистого CO₂ затем используют для создания избыточного давления во внутреннем пространстве куполов и/или для питания сырьем электролизера, из которого получают СО и O₂. Полученный кислород, характеризующийся температурой 800°C и давлением 0,8 бар, затем хранят в подходящих резервуарах, из которых его можно отбирать для подачи в систему ECLSS.

Оксид углерода можно хранить в подходящих резервуарах, из которых его можно отбирать для использования в качестве ракетного топлива для вездеходов Rover и/или другого оборудования, применимого для проведения работ за бортом, как показано на стадии (n).

Стадия (о) способа включает в себя подачу второстепенного потока, производимого блоком TSA, который состоит главным образом из N₂ и Ar, вместе с H₂, полученным электролизом воды, в реактор, который обеспечивает получение газообразного аммиака (NH₃) посредством электросинтеза, а также потока Ar, который остается инертным в продолжение стадий реакции, приводящих к образованию NH₃. Упомянутый электросинтез аммиака можно осуществлять предпочтительно согласно способу, предложенному авторами Rui-Quan; L., et al. "Synthesis of ammonia at atmospheric pressure with Се_0.8М_0.2O_2-δ (M=La, Y, Gd, Sm) and their proton conduction at intermediate temperature" Solid State Ionics 177 (2006) 73-76, способу, который для целей настоящего изобретения включает в себя использование аргона вместо воздуха. Следовательно, получают аммиак, характеризующийся температурой 650°C и давлением 0,8-1 бар.

Поскольку NH₃, полученный на стадии (о), характеризуется хорошей теплотворной способностью (около 14360 кДж/м³), определенное аликвотное количество можно применять в качестве ракетного топлива/горючего для использования в течение работы за бортом. Кроме того, поскольку NH₃ характеризуется также и высокой теплопроводностью (около 245,6 мВт/см·K), дополнительное аликвотное количество полученного аммиака можно использовать в качестве теплоносителя в теплообменниках, применяемых в системе ECLSS. Одновременно с NH₃, на стадии (o) получают поток аргона, который будет использован для получения азотной кислоты, как показано на следующей далее стадии (q).

Стадия (p) способа включает в себя разделение потока аммиака, полученного на стадии (o), на два отдельных потока, а именно, θ1 и θ2, с помощью Т-образных соединителей.

Стадия (q) способа включает в себя подачу потока Ar, выходящего из отделения (o) электросинтеза, вместе с потоком θ1 аммиака (o) и потоком кислорода, полученным, как показано на стадии (1), а также потоком π2 воды, полученным на стадии (k), в блок, который действует на основе способа Оствальда (Ostwald, W., "Process of manufacturing nitric acid" US Pat. 858904 (1907)). В отличие от первоначального способа Оствальда, в настоящем изобретении вместо избыточного воздуха введен в состав Ar для снижения экзотермичности реакции, что позволяет получать азотную кислоту и аргон, как показано на стадии (q).

Стадия (r) включает в себя разделение потока азотной кислоты на два отдельных потока, называемых ρ1 и ρ2. Как более полно описано в следующем далее тексте, поток ρ1 затем используют в качестве источника питательных макроэлементов внутри фотобиореакторов, тогда как поток ρ2 подают в реактор абсорбции/нейтрализации, где получают нитрат аммония (NH₄NO₃).

В продолжение осуществления стадии (s), которое выполняют одновременно со стадией (r), поток θ2 аммиака далее разделяют на два потока, называемых θ2′ и θ2″. Последний из указанных потоков накапливают в подходящих резервуарах и затем используют в качестве горючего, как указано на стадии (t), в то время как поток θ2′ подают в реактор нейтрализации, из которого получают нитрат аммония на стадии (u).

В отношении «биологической секции», стадии от (а′) до (f) являются совершенно аналогичными соответствующим стадиям, уже описанным в случае физико-химической секции.

Стадия (g′) включает в себя смешивание воды, извлеченной из реголита, с соответствующими количествами азотной кислоты, полученной в физико-химической секции. Такая операция позволяет понижать уровень pH воды, усиливая таким образом массоперенос питательных макро- и микроэлементов от реголита к жидкой фазе на последующей стадии (i′), которая относится к процессам выщелачивания.

На стадии (h′) поток твердых частиц дегидратированного реголита, полученного на стадии (f′), надлежащим образом разделяют на два потока, называемых τ1′ и τ2′, соответственно. Поток τ2′ твердых частиц затем можно использовать в качестве сырья для построения специальных структур с целью защиты блоков, которые работают «вне помещения». Способ получения строительного материала может быть основан на технологии, предложенной в заявке на итальянский патент № MI 2010A001412.

Поток τ1′ твердых частиц должен быть достаточно интенсивным для обеспечения массового соотношения 1:5 масс./масс. с потоком воды и азотной кислоты, полученным на стадии (g1).

Стадия (i′) включает в себя подачу потока τ1′ твердых частиц вместе с потоком азотной кислоты, вместе с потоком воды в реактор, где жидкость и твердые частицы приводят в контакт с целью образования взвеси, которую постоянно перемешивают, обеспечивая таким образом возможность осуществления эффективного контакта между жидкой и твердой фазой. Цель такой стадии заключается в переносе всех питательных макроэлементов (P, S, C) и микроэлементов (Fe, Mg, Si и т.д.), содержащихся в реголите, в жидкую фазу. Таким образом получают «культуральный бульон», который после объединения с питательными веществами на основе азота, будет способствовать поддержанию автотрофных явлений роста водорослей, описанных в работе Olsson-Francis, K. Et al. "Use of cyanobacteria for in-situ resource use in space applications" Planetary and Space Science 58 1279-1285 (2010). Подходящее время контакта для обеспечения эффективного массопереноса питательных веществ в жидкую фазу составляет около 24 часов.

Стадия (j′) способа включает в себя разделение твердое тело/жидкость, которое можно выполнять при помощи подходящих фильтрационных систем (т.е. фильтровальных мешков или фильтровальных пластин).

Следовательно, на текущей стадии (j′) формируются два разделенных потока, первый поток представляет собой выщелоченный реголит, тогда как второй поток представляет собой жидкость, которая после смешивания с азотной кислотой, полученной в физико-химической секции, будет привносить «культуральный бульон» для микроводорослей.

Одновременно с вышеупомянутыми стадиями, в случае атмосферы Марса CO₂ сначала выделяют, а затем создают избыточное давление с использованием систем TSA. Действительно, CO₂ представляет собой другой ключевой питательный макроэлемент для поддержания роста водорослей.

Стадия (m′), которую осуществляют "una tantum", включает в себя приготовление инокулята, который будут направлять в фотобиореактор для его ввода в действие. Предпочтительно, инокулят будет состоять из следующих разновидностей водорослей: Gloeocapsa strain OU_20, Leptolyngbya strain OU_13, Phormidium strain OU_10, Chroococcidiopsis 029; Arthrospira platensis; Synechococcus elongatus; Anabaena cilindrica; Chlorella vulgaris; Nannochloris Eucaryotum или созданных методами генетической инженерии разновидностей.

Стадия (n′) включает в себя подачу инокулята в фотобиореактор, куда одновременно направляют следующие потоки: жидкий поток, выходящий после выщелачивания, производимого на стадии (j′), газообразный CO₂, полученный на стадии (k′), и соответствующее количество азотной кислоты, полученной в физико-химической секции.

В течение стадии (о′) CO₂ предпочтительно барботируют в жидкость с помощью гидропневматических насосов эрлифтного типа, которые обеспечивают подходящую циркуляцию жидкости внутри фотобиореактора. Кроме того, предпочтительно используют подходящие диффузоры с целью введения CO₂ в виде мелких пузырьков. С другой стороны, азотную кислоту просто впрыскивают в культуральный бульон, обеспечивая таким образом его обогащение нитратами.

Как только вышеупомянутые соединения смешивают с водорослевым инокулятом, водорослевой культурой, то получают указанную «биологическую взвесь». Такая «биологическая взвесь», если ее подвергать воздействию подходящего светового потока, способна инициировать и поддерживать фотосинтетические явления, позволяющие в свою очередь получать биомассу водорослей, которую можно использовать в качестве сырья для приготовления продуктов питания. Световой поток можно подводить путем прямого воздействия на культуру солнечного излучения, падающего на марсианскую поверхность, или, предпочтительно, посредством подходящих систем, таких как световые концентраторы и оптические волокна.

Следовательно, фотосинтетический процесс приводит к получению новых микроводорослей, результатом чего является повышение концентрации биомассы водорослей в культуре.

Согласно предпочтительному варианту осуществления фотобиореакторы работают в периодическом режиме с подпиткой, т.е. в полунепрерывном режиме. Следовательно, выращивание водорослей осуществляют в замкнутой системе, где биологическую взвесь полностью подвергают рециркуляции до тех пор, пока концентрация биомассы не достигает подходящих значений, которые соответствуют стационарной фазе кинетики роста водорослей.

Сразу после достижения стационарной фазы соответствующее количество «биологической взвеси» отводят и подвергают процессам обезвоживания для отделения биомассы от отработанного «культурального бульона». Количество биологической взвеси, которое было отведено из фотобиореактора, затем заменяют равным количеством свежего «культурального бульна» (не содержащего микроводорослей и полученного, как показано на стадии (j′)), который восполняет питательные вещества, израсходованные во время роста водорослей.

Сразу после осуществления текущих стадий отвода и повторного включения в состав свежего «культурального бульона» рост микроводорослей повторно возобновляют в периодическом режиме. Операции удаления части и восстановления целостности состава следует повторять периодически, предпочтительно, один раз в сутки, в один и тот же час дня, с целью обеспечения по меньшей мере 25 часов (продолжительность марсианских суток) роста в периодическом режиме.

Стадия (q′) способа включает в себя перемещение «биологической взвеси», извлекаемой ежесуточно, на стадию разделения твердое тело/жидкость, которое осуществляют при помощи подходящих систем центрифугирования. Разделение твердое тело/жидкость, проводимое на данной стадии, позволяет отделять биомассу водорослей от израсходованного «культурального бульона».

Последний можно возвращать в головную часть «биологической секции» с целью уменьшения входных количеств необходимой воды, и таким образом количества воды, подлежащей извлечению из реголита. С другой стороны, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения израсходованный культуральный бульон можно использовать для орошения теплиц или систем выращивания культур в питательных растворах, где разводят овощи.

Твердую биомассу водорослей, отделенную при помощи центрифуг, можно дополнительно обезвоживать с использованием микроволновых печей, а затем она может использоваться астронавтами в качестве пищи.

На стадии (q′) кислород, полученный фотосинтезом, отделяют от биологической взвеси посредством подходящих систем дегазации, а затем перекачивают в блоки ECLSS, где его можно использовать для регенерации воздуха кабины экипажа. Следовательно, стадия (r′) предложенного способа включает в себя хранение кислорода, полученного фотосинтезом, в подходящих резервуарах под избыточным давлением.

Стадия (s′) включает в себя перемещение различных продуктов процессов, до настоящего момента описанных происходящими внутри купола, который функционирует в качестве теплицы, туда, где можно выращивать рассматриваемые растения и овощи. Предпочтительно, стадия (s′) заключает в себе следующие подстадии:

s′1) воссоздание внутри купола, подлежащего использованию в качестве теплицы на Марсе, условий по температуре и давлению, совместимых с ростом желаемых видов растений;

s′2) подачу выщелоченного реголита, полученного на стадии (j′), в купол, который функционирует как теплица;

s′3) смешивание реголита подстадии (s′2) с нитратом аммония (NH₄NO₃), полученным на стадии (u) физико-химической секции, для обеспечения надлежащего поступления в реголит питательных веществ на основе азота;

s′4) смешивание реголита и нитрата аммония с подходящими количествами гуминовой и фульвовой кислот;

s′5) смешивание с реголитом подходящих количеств органических отходов, поступающих из домов астронавтов, для повышения содержания в грунте органического вещества;

s′6) выполнение посева разновидностей растений;

s′7) орошение посева с использованием отработанного раствора, поступающего из центрифуг; и

s′8) подачу светового потока, необходимого для фотосинтеза.

В другом аспекте настоящее изобретение относится к комплекту материалов и устройству для воплощения способа изобретения, включающим в себя две группы частей, называемых «физико-химической» группой и «биологической» группой. «Физико-химическая» группа комплекта заключает в себе следующее:

- по меньшей мере один геодезический купол для размещения различных блоков, используемых в физико-химической секции способа;

- по меньшей мере одну фотоэлектрическую панель для выработки энергии с целью нагрева газообразной среды, по меньшей мере внутри одного купола и для функционирования блоков установки, описанных ниже;

- по меньшей мере один блок TSA, состоящий по меньшей мере из одного слоя цеолитного адсорбента и по меньшей мере одного радиатора с функцией обеспечения теплообмена с естественной окружающей средой Марса в целях обеспечения возможности осуществления адсорбционно-десорбционных циклов при переменной температуре, для отделения CO₂ от других компонентов газов марсианской атмосферы (главным образом, N₂ и Ar) и создания избыточного давления отделенного CO₂, а также вдувания и установления такого же давления CO₂ о меньшей мере в одном куполе;

- по меньшей мере один блок WAVAR на основе использования цеолитов и процесса адсорбции с последующей десорбцией под действием микроволн для извлечения воды, присутствующей в марсианской атмосфере;

- по меньшей мере один резервуар для хранения воды, извлеченной из атмосферы Марса;

- по меньшей мере один экскаватор и по меньшей мере одну конвейерную ленту для выемки и транспортировки марсианского реголита в блок его переработки;

- по меньшей мере один блок МРО, включающий в себя по меньшей мере один магнетрон для извлечения адсорбированной и гидратной воды из марсианского реголита с использованием нагревания под действием микроволн;

- по меньшей мере один трубчатый соединитель с тремя выходными каналами для разделения воды, извлеченной из реголита, на три потока, называемых π1, π2 и π3;

- по меньшей мере один электролизер для электролиза воды потока π1 и получения водорода и кислорода;

- по меньшей мере один электролизер для электролиза CO₂ и получения отделенного кислорода, а также смеси CO и CO₂;

- по меньшей мере один блок, состоящий по меньшей мере из одного реактора электросинтеза с твердым электролитом (твердооксидным топливным элементом) для получения аммиака из газа с высоким содержанием N₂ и Ar, полученного в блоке TSA, и водорода, полученного электролизом воды;

- по меньшей мере один блок, состоящий из соединителя «Т-образной формы» для разделения потока полученного аммиака на два потока, называемых θ1 и θ2;

- по меньшей мере один блок для получения азотной кислоты (HNO₃) по способу Оствальда из Ar, NH₃, H₂O, O₂, при этом упомянутый блок заключает в себе по меньшей мере один каталитический реактор, по меньшей мере одну абсорбционную башню и по меньшей мере одну систему для отгонки «NOx»;

- по меньшей мере один блок, состоящий из соединителя «Т-образной формы», для разделения потока полученной азотной кислоты (HNO₃) на два потока, называемых ρ1 и ρ2;

- по меньшей мере один блок, состоящий из соединителя «Т-образной формы» для разделения потока θ2 на два дополнительных потока, называемых θ2′ и θ2″;

- по меньшей мере один резервуар для хранения полученного NH₃; и

- по меньшей мере один газо-жидкостной реактор, работающий в непрерывном режиме, для получения NH₃ и NH₄NO₃ из HNO₃.

Упомянутая «биологическая» группа комплекта включает в себя:

- по меньшей мере один геодезический купол для размещения различных блоков, используемых в биологической секции способа;

- по меньшей мере одну фотоэлектрическую панель для выработки энергии с целью нагревания атмосферы по меньшей мере внутри одного купола и функционирования блоков установки, описанных ниже;

- по меньшей мере один блок TSA, состоящий по меньшей мере из одного слоя адсорбента цеолита и по меньшей мере одного радиатора с функцией обеспечения теплообмена с естественной окружающей средой Марса в целях создания возможности осуществления адсорбционно-десорбционных циклов при переменной температуре для отделения CO₂ от других газовых компонентов марсианской атмосферы (главным образом, N₂ и Ar) и создания избыточного давления отделенного CO₂, а также вдувания и установления того же давления CO₂ по меньшей мере в одном куполе;

- по меньшей мере один экскаватор и по меньшей мере одну конвейерную ленту для выемки грунта и транспортировки марсианского реголита в блок его переработки;

- по меньшей мере один блок МРО, заключающий в себе по меньшей мере один магнетрон для извлечения адсорбированной и гидратной воды из марсианского реголита с использованием микроволнового нагрева;

- по меньшей мере один блок смешивания воды, извлеченной из реголита, с подходящими количествами азотной кислоты, полученной в физико-химической секции;

- по меньшей мере один блок, состоящий из двухполосной конвейерной ленты для разделения дегидратированного реголита на два потока твердых частиц, называемых $${\tau }_1^{\text{'}}$$ и $${\tau }_2^{\text{'}}$$ ;

- по меньшей мере один реактор, работающий в непрерывном режиме, для выщелачивания потока $${\tau }_1^{\text{'}}$$ твердых частиц реголита смесью воды и азотной кислоты;

- по меньшей мере один блок, состоящий из «пластинчатого фильтра», для разделения твердое тело/жидкость, которое выполняют во взвеси, выходящей из реактора выщелачивания, а также непрерывного получения «культурального бульона» и потока «выщелоченного реголита»;

- по меньшей мере один резервуар для хранения газа на основе N₂ и Ar, полученного в предыдущем блоке в результате отделения от CO₂;

- по меньшей мере один из следующих видов водорослей: Gloeocapsa strain OU_20, Leptolyngbya OU_13 strain, Phormidium strain OU_10, Chroococcidiopsis 029; Arthrospira platensis, Synechococcus elongatus, Anabaena cylindrical; Chlorella vulgaris; Nannochloris Eucaryotum или генетически модифицированные разновидности;

- по меньшей мере один блок приготовления инокулята разновидностей водорослей;

- по меньшей мере один фотобиореактор для получения биомассы водорослей, в котором культуральный бульон осуществляет контактирование инокулята водорослей с азотной кислотой и газовым потоком, имеющим высокое содержание CO₂, называемым θ2;

- по меньшей мере один гидропневматический насос типа «эрлифт» для абсорбции CO₂ в жидкой фазе, достижения надлежащей степени смешивания между компонентами, направляемыми в фотобиореактор, и циркуляции «биологической взвеси»;

- по меньшей мере один блок отделения биомассы водорослей и кислорода, полученных в фотобиореакторе, от отработанного культурального бульона;

- по меньшей мере один резервуар для хранения кислорода, полученного с помощью фотобиореактора;

- по меньшей мере один блок обезвоживания биомассы водорослей, и

- по меньшей мере один геодезический купол, подлежащий использованию в качестве теплицы для выращивания съедобных растений.

При рассмотрении «физико-химической» группы комплекта по меньшей мере в пределах одного геодезического купола размещают различные блоки установки физико-химической секции, которые должны работать при температурах по меньшей мере 10°C и давлениях по меньшей мере 0,8 бар. Предпочтительно, купола изготовлены при помощи рамы из алюминиевых балок с круглым сечением. Предпочтительно, покрытие геодезического купола выполнено листами из материала ETFE (этилентетрафторэтилена) с плотностью поверхности 0,2 кг/м², а также высоким механическим и термическим сопротивлением.

Предпочтительно по меньшей мере одна фотоэлектрическая система вырабатывает энергию, которая необходима для снабжения ею всех рабочих стадий способа изобретения, включая стадию нагрева внутренней газообразной среды куполов. С точки зрения электричества упомянутая фотоэлектрическая система предпочтительно разделена на отдельные секции (матрицы), при этом каждая из них характеризуется поверхностью около 40 м², а также коэффициентом преобразования солнечного излучения в электричество, составляющим около 11%.

Применение адсорбции с циклически изменяющейся температурой, в которой используют цикл адсорбции/десорбции при переменной температуре на цеолитах, предложено для отделения, вдувания и сжатия CO₂ внутри куполов согласно принципам, описанным ранее для блоков TSA. Подходящий блок для извлечения воды из марсианской атмосферы может быть блоком, описанным в работе Williams, J. D., et al. "Design of a water vapor adsorption reactor for Martian In Situ Resourse Utilization" Journal of British Interplanetary Society, 48, 347-354 (1995).

По меньшей мере один экскаватор и по меньшей мере один ленточный конвейер используют для выемки и транспортировки марсианского реголита в блоки обработки и, в частности, систему извлечения воды, а именно, блоки МРО. В отношении экскаватора подходящая типология может быть такой, как и описанная в работе Caruso, J.J. et al., "Cratos: A Simple Low Power Excavation and Hauling System for Lunar Oxygen Production and General Excavation Tasks" (2008), типология, которая состоит из транспортного средства, снабжаемого энергией фотоэлектрически перезаряжаемыми батареями или независимо при помощи малых фотоэлектрических систем, размещенных на том же транспортном средстве.

Замкнутые ленточные конвейеры будут транспортировать реголит в систему микроволнового нагрева, где из минералов реголита будут извлекать адсорбированную и гидратную воду. Следовательно, конвейерная лента будет подавать реголит, по меньшей мере в блок МРО для извлечения воды. Извлеченную воду будут разделять на три отдельных потока, называемых π1, π2 и π3, посредством четырехходового фитинга.

Затем поток π1 воды перемещают в блок электролиза, который состоит из твердого электролита для протонного обмена, катода и анода, оба из которых изготовлены из пористого материала, на котором размещен катализатор, что обеспечивает хороший выход, даже в случае работы при низких температурах.

Параллельно указанным операциям осуществляют отделение CO₂ и создание его избыточного давления, исходя из дегидратированной марсианской газовой среды, выходящей из блока WAVAR.

Такую операцию выполняют по меньшей мере посредством одного блока адсорбции/десорбции CO₂ при переменной температуре на стадии (m) способа.

Чистый и находящийся под избыточным давлением CO₂ используют для получения O₂ и CO по меньшей мере посредством одного блока электролиза CO₂, предусмотренного в настоящем изобретении. С этой целью предусматривают использование по меньшей мере одного электролизера, который состоит из твердого электролита, катода и анода, оба из которых изготовлены из пористого материала, на котором размещен катализатор, что обеспечивает хороший выход, даже в случае работы при низких температурах.

По меньшей мере одна ячейка электросинтеза аммиака состоит из твердооксидного электролита для обмена ионов, катода и анода, оба из которых изготовлены из пористого материала, на котором размещен катализатор, что обеспечивает хороший выход, даже в случае работы при низких температурах.

Следует специально упомянуть, что в ячейку электросинтеза подают и N₂, и Ar.

Однако в то время как азот принимает участие в реакциях, относящихся к стадии (o), аргон по существу остается инертным. По этой причине поток, выходящий из данного блока, будет состоять из потока аммиака и потока аргона. Последний из указанных потоков можно использовать как разбавитель в секции, где получают азотную кислоту при сгорании аммиака. Полученный поток аммиака между тем разделяют на два отдельных потока, называемых θ1 и θ2 посредством подходящих Т-образных соединителей.

Стадия (q) способа включает в себя перенос потока θ1 аммиака, вместе со всем потоком аргона и кислорода, полученным на стадии (1), а также потоком π2 воды, полученным на стадии (k), в блок, который действует для получения азотной кислоты на основе способа Оствальда. Такой способ основан на операциях, описанных для процедур на стадии (q), и при его воплощении используют каталитический реактор, где осуществляют сгорание аммиака, абсорбционную башню, где получают HNO₃ исходя из N₂O4, а также систему, где отделяют NO и концентрируют кислоту. Поэтому модифицированный способ Оствальда, который является самоподдерживающимся с энергетической точки зрения, обеспечивает получение азотной кислоты, которую используют для последующих стадий способа, и газового потока, состоящего главным образом из аргона. Азотную кислоту можно использовать и в качестве источника нитратов для обеспечения роста водорослей в фотобиореакторах, и для получения нитрата аммония, применяемого как удобрение для выращивания видов съедобных растений (овощей). С этой целью полученный поток азотной кислоты соответствующим образом разделяют на два отдельных потока, называемых ρ1 и ρ2, посредством подходящих Т-образных трубных фитингов. С использованием аналогичных трубных фитингов поток θ2 аммиака, полученный на стадии (p) способа, далее разделяют на два отдельных потока, называемых θ2′ и θ2″.

Стадия (u) настоящего способа включает в себя подачу потока ρ1 азотной кислоты вместе с потоком θ2″ аммиака в реактор для получения нитрата аммония. По меньшей мере один реактор для получения нитрата аммония должен быть реактором газожидкостного типа. При эксплуатации данного реактора можно получать кристаллический нитрат аммония в форме белого порошка, который можно использовать как удобрение.

В отношении «биологической» группы комплекта, предпочтительно по меньшей мере, что в одном из реакторов суспензионного типа следует предусматривать перемешивание и наносить покрытие из антикислотной краски. Предпочтительно, размер реактора должен быть таким, чтобы обеспечивать время пребывания, равное по меньшей мере 24 часам. Взвесь, выходящую из реактора, перемещают на стадию (j′), где имеет место разделение твердое тело/жидкость. С этой целью способ настоящего изобретения включает в себя использование по меньшей мере одного фильтра для отделения твердой фазы взвеси от жидкой фазы.

Блоки для осуществления циклов адсорбции-десорбции при переменных температурах являются аналогичными по структурным и функциональным характеристикам тем блокам, что используют в физико-химической секции.

Можно использовать различные типологии фотобиореакторов, но предпочтительными должны быть трубчатые реакторы с трубами, расположенными так, чтобы образовывать геликоид (известные как реакторы BIOCOIL). Трубы следует изготовлять из материала PET (полиэтилентерефталат), поскольку они должны быть прозрачными относительно фотосинтетически активного излучения. Предпочтительно, трубы должны быть меньше 0,2 м в диаметре. Вероятно, фотобиореактор следует эксплуатировать в периодическом режиме с подпиткой при общей рециркуляции. Предпочтительно, с целью исключения повреждения и ингибирования водорослевых клеток, содержание кислорода предпочтительно не должно превышать примерно 400% от величины насыщения воздухом. Поскольку кислород, полученный в результате фотосинтеза, невозможно удалять внутри труб фотобиореактора, предпочтительно, водорослевую культуру периодически отправляют в устройство для дегазации с целью удаления растворенного в водорослевой культуре кислорода. Таким образом, извлеченный кислород можно перекачивать в секцию ECLSS, где осуществляется регенерация воздуха кабины экипажа. CO₂ можно вводить в подходящие точки, расположенные с определенными интервалами вдоль труб. Это позволяет предпочтительно предотвращать истощение водорослей вследствие расхода диоксида углерода и слишком высокого уровня pH.

Световой поток, необходимый для активирования фотосинтеза, можно подводить путем прямого воздействия на фотобиореактор солнечного излучения, падающего на марсианскую поверхность, или, предпочтительно, с помощью подходящих светособирающих систем, таких как световые концентраторы и оптические волокна, которые передают свет в купола, где размещены фотобиореакторы.

Согласно периодическому рабочему режиму с подпиткой фотобиореактора, подходящее количество «биологической взвеси» отводят и заменяют равным количеством свежего «культурального бульона», полученного, как показано на стадии (j′). Отводимое количество «биологической взвеси» затем подвергают разделению твердое тело/жидкость. Предпочтительно, операцию в блоках отделения биомассы водорослей от отработанного «культурального бульона» выполняют при помощи по меньшей мере одной центрифуги.

Полученную биомассу водорослей далее можно подвергать обезвоживанию с использованием, подходящих микроволновых печей для использования впоследствии астронавтами в качестве пищи.

Отработанный «культуральный бульон», выходящий из центрифуги, характеризующийся остаточными концентрациями питательных веществ (в том числе, питательных веществ на основе азота), можно использовать для полива уже удобренного марсианского грунта с целью выращивания овощей в марсианских теплицах.

Рабочий пример настоящего изобретения приведен в настоящем документе ниже для иллюстративных, а не ограничивающих целей.

Пример

Осуществление и схема работы установки для получения на марсианском грунте материалов, применимых для жизнеобеспечения пилотируемых космических полетов, посредством использования доступных на месте ресурсов согласно настоящему изобретению

Прежде всего, принимают во внимание физиологическое здоровье экипажа, исследующего планету Марс. С этой целью следует предусматривать минимальные количества воды, кислорода и пищи в сутки на одного астронавта, приведенные в таблице 1.

Таблица 1
Соединение	Требуемое минимальное количество, кг/сутки/астронавт
Кислород	0,84
Пища (обезвоженная)	0,62
Вода (питьевая)	3,91
Вода (гигиеническая)	25,58

В данном примере установка, которая заключает в себе оборудование и материалы комплекта изобретения, предназначена для воплощения способа изобретения, который включает в себя получение на марсианском грунте материалов, применимых для жизнеобеспечения пилотируемых космических полетов, посредством использования доступных in situ ресурсов. Также были рассчитаны рабочие параметры согласно способу данного изобретения.

Конструкция установки «физико-химической» секции

При рассмотрении физико-химической секции, прежде всего, поток (α) марсианской газообразной среды с массовой скоростью примерно 121,547 кг/ч подвергается дегидратации с использованием блока WAVAR в соответствии со стадией (h) способа. На выходе из блока WAVAR достигается массовая скорость потока (β) воды, равная примерно 0,02297 кг/ч, и массовая скорость потока (γ) дегидратированной марсианской газообразной среды, равная примерно 121,5442 кг/ч.

Все массовые потоки, указанные выше, характеризуются давлением 8 мбар и температурой 210 К. Для цели планирования полета на Марс в таблице 2 показаны соответствующие размерные характеристики блока WAVAR.

Таблица 2
Блок установки	Единица измерения	Значение
Название блока	-	WAVAR
Число блоков	-	1
Полезная нагрузка	кг	21,71
Потребляемая мощность	кВт	0,196
Занимаемая площадь	м2	1,927
Занимаемый объем	м3	1,927
Высота (макс.)	м	1
Время работы	часы/сутки	12
Рабочий режим	-	Непрерывный

Массовый поток (γ) дегидратированной газообразной среды затем подают в блок TSA, в первую очередь отделяют CO₂ и после этого создают избыточное давление в соответствии со стадией (o) способа.

Массовый поток (δ) около 17,225 кг/ч чистого CO₂ с давлением 0,8 бар и температурой 450 K получают на выходе из блока TSA. Одновременно на выходе из блока TSA достигают массовой скорости около 4,318 кг/ч потока (η) газа, состоящего в основном из N₂ и Ar и характеризующегося давлением 8 мбар и температурой 210 K. С целью обеспечения таких показателей следует использовать по меньшей мере 11 блоков TSA, имеющих характеристики, приведенные в таблице 3.

Таблица 3
Характеристика блока TSA	Значение	Единица измерения
Тип цеолита	13X	-
Необходимый объем цеолита	2,08	м3
Длина слоя цеолита	2,99	м
Диаметр слоя цеолита	0,83	м
Отношение L/D	3,6	-
Высота блока	1,64	м
Поверхность облучения для теплообмена	67,44	м2
Потеря давления	4	торр/гCO2/с
Площадь фильтра,
используемого для удаления порошка	0,16	м2
Общая потребляемая мощность для каждого слоя	9094,91	Вт
Полезная нагрузка каждого блока	2517,77	кг

Следовательно, 11 блоков TSA в целом требуют доступности пространства и энергии, представленной в таблице 4.

Таблица 4
Блок установки	Единица измерения	Значение
Название блока	-	TSA
Число блоков	-	11
Полезная нагрузка	кг	27695,55
Потребляемая мощность	кВт	100,044
Занимаемая площадь	м2	741,8451
Занимаемый объем	м3	1218,61
Высота (макс.)	м	1,642675
Время работы	часы/сутки	25
	Циклический	12 часов адсорбции/
Рабочий режим	непрерывный	13 часов десорбции

Затем поток (δ) находящегося под избыточным давлением чистого CO₂ подают в электролизер, который работает внутри геодезического купола в соответствии со стадией (n) способа. Блок производит поток (ω) чистого кислорода с массовой скоростью, равной 38,36 кг/ч, и поток (ε) газовой смеси, содержащей 50% об./об. CO и 50% об./об. CO₂, с массовой скоростью, равной 78,86 кг/ч. Содержимое потока газообразной смеси, упомянутой выше, можно хранить в подходящих резервуарах с целью дальнейшего использования в качестве ракетного топлива для работ за бортом, которые будут выполняться во время полета. С другой стороны, поток O₂ направляют в системы ECLSS, где его используют для регенерации воздуха в кабине экипажа. В частности, следует заметить, что массовая скорость полученного потока O₂ равна 460 кг/сутки, который, исходя из потребностей на одного человека, представленных в таблице 1, позволяет удовлетворять потребности большого числа членов экипажа. В качестве альтернативы, избыток кислорода можно использовать как воздух для горения, смешиваемый с подходящими ракетными топливами, для снабжения двигателей сгорания, применяемых во время работ за бортом.

Возможная дополнительная альтернатива заключается в использовании CO₂, вырабатываемого блоками TSA, для создания избыточного давления в куполах в течение короткого отрезка времени в пределах общей длительности полета.

С целью получения кислорода из CO₂ используют электролизер. Электролизер состоит из нескольких «батарей», которые образуются при наложении слоев пакетов пластин, при этом каждый из них состоит из нескольких наложенных «электролитических ячеек» (или «вафель»).

В данном примере электролизер CO₂ состоит по меньшей мере из 4 батарей, при этом каждая из них заключает в себе только 1 пакет пластин, который, в свою очередь, состоит из 10 наложенных вафель размером 100×100×1 см при общей высоте пакета пластин, равной 10 см. Напряжение, прилагаемое к каждой электролитической ячейке, составляет 1,7 В, при этом плотность тока равна 0,4 А/см². Основные характеристики данного блока представлены в таблице 5.

Таблица 5
Блок установки	Единица измерения	Значение
Название блока	-	Электролизер CO2 (YSZ)
Число блоков	-	1
Число батарей на блок	-	4
Число пакетов пластин на батарею	-	1
Количество вафель на пакет пластин	-	10
Полезная нагрузка	кг	28706,15
Потребляемая мощность	кВт	280,94
Занимаемая площадь	м2	4,84
Занимаемый объем	м3	0,96
Высота (макс.)	м	0,20
Время работы	часы/сутки	12
Рабочий режим	-	Непрерывный

Массовая скорость потока (ν) реголита, который подают на нагревание под действием микроволн, составляет 385,04 кг/ч. Выходной поток из секции нагревания под действием микроволн состоит из потока (π) воды с массовой скоростью, равной примерно 7,7 кг/ч, и потока (τ) твердого дегидратированного реголита с массовой скоростью, равной 377,34 кг/ч. Характеристики каждого блока МРО, приведенные в таблице 6, рассчитаны с целью оценки числа блоков МРО, необходимых для достижения массовых скоростей потока, упомянутых выше.

Таблица 6
Характеристика каждого блока МРО	Значение	Единица измерения
Массовая скорость потока обработанного реголита	10	кг/ч
Массовая скорость потока извлеченной воды	0,2	кг/ч
Температура воды на выходе	500	°C
Полезная нагрузка	20	Кг
Потребляемая мощность	2,4	кВт
Занимаемая площадь	0,07	м2
Высота	0,25	М
Занимаемый объем	0,02	м3

Следовательно, для обработки общего количества реголита, упомянутого выше (т.е. 385,04 кг/ч), требуется примерно 39 блоков МРО, что, таким образом, определяет общую потребляемую мощность и занимаемые размеры, приведенные в таблице 7.

Таблица 7
Блок установки	Единица измерения	Значение
Название блока	-	МРО
Число блоков	-	39
Полезная нагрузка	кг	780
Потребляемая мощность	кВт	93,6
Занимаемый размер (площадь)	м2	2,691
Занимаемый размер (объем)	м3	0,67275
Высота (макс.)	м	0,25
Время работы	часы/сутки	12
Рабочий режим	-	Непрерывный

Поток (π) извлеченной воды затем разделяют на три отдельных потока, называемых π1, π2 и π3, как показано в таблице 8.

Таблица 8
Единица измерения	Массовая скорость входного потока, поток π	Массовая скорость выходного потока, поток π1	Массовая скорость выходного потока, поток π2	Массовая скорость выходного потока, поток π3
кг/ч	7,701	3,785	0,065	3,850

В частности, поток π3 подают в системы ECLSS, где получают питьевую воду, необходимую для членов экипажа. Следует отметить, что с учетом потребностей на одного человека, приведенных в таблице 1, массовая скорость потока полученной питьевой воды могла бы удовлетворять потребности 12 членов экипажа.

Поток π1 подают в электролизер воды, где получают водород и кислород в соответствии со стадией (1) способа. На выходе из электролизера достигают массовой скорости потока (о) кислорода, равной 3,36 кг/ч, и массовой скорости потока (κ) водорода, равной примерно 0,42 кг/ч. С целью получения таких потоков электролизер воды состоит только из одного пакета пластин, который, в свою очередь, состоит из 5 электролитических ячеек, образуемых сборкой мембранных электродов (NAFION) толщиной 1 см. Площадь каждой электролитической ячейки равна 0,22 м². Расстояние между электролитическими ячейками равно 1 см. Напряжение, прилагаемое к каждой электролитической ячейке составляет 1,4 В, при этом плотность тока равна 1 А/см². Мощность, потребляемая на кг воды, подаваемой в электролизер, равна 4,17 кВт, тогда как полезная нагрузка равна 11,2 кг. В таблице 9 обобщены все характеристики электролизера воды, которые необходимы для планирования полета и достижения упомянутых выше показателей.

Таблица 9
Блок установки	Единица измерения	Значение
Название блока	-	Электролизер воды (WE)
Число блоков	-	1
Число батарей на блок	-	1
Число пакетов пластин на батарею	-	1
Количество вафель на пакет пластин	-	5
Полезная нагрузка	кг	42,40
Потребляемая мощность	кВт	15,78
Занимаемая площадь	м2	0,22
Занимаемый объем	м3	0,026
Высота (макс.)	м	0,09
Время работы	часы/сутки	12
Рабочий режим	-	Непрерывный

Реактор электросинтеза аммиака производит поток (θ) NH₃ с массовой скоростью, равной 2,145 кг/ч, и поток Ar (λ), который остается инертным в течение реакции, с массовой скоростью, равной 1,65 кг/ч. Так как выход реакции электросинтеза равен 90%, из реактора отводят также и два потока не прореагировавших N₂ и H₂. Массовая скорость потока (µ₁) не прореагировавшего N₂ равна 0,196 кг/ч, тогда как массовая скорость потока (µ₂) не прореагировавшего H₂ равна 0,042 кг/ч.

С целью получения результатов, упомянутых выше, реактор электросинтеза должен состоять из 146 пакетов пластин, каждый из которых состоит из 10 электролитических ячеек (или вафель). Пакеты пластин размещены в 15 батареях, при этом каждая из них заключает в себе 10 пакетов пластин. Каждая электролитическая ячейка обладает размерами 100×100×1 см. Расстояние между пакетами пластин равно 1 см, тогда как расстояние между батареями равно 10 см.

Напряжение, прилагаемое к каждой электролитической ячейке, составляет 0,8 В, тогда как плотность тока равна 0,00232 А/см². Потребляемая мощность для получения 2,15 кг NH₃ равна 8,15 кВт, при этом полезная нагрузка равна 16525 кг. На основании.. указанных данных можно оценить потребление мощности и занимаемые размеры реактора электросинтеза (см. таблицу 10).

Таблица 10
Блок установки	Единица измерения	Значение
Название блока	-	Реактор электросинтеза NH3
Число блоков	-	1
Число батарей на блок	-	15
Число пакетов пластин на батарею	-	10
Количество вафель на пакет
пластин	-	10
Полезная нагрузка	кг	16525,49
Потребление мощности	кВт	8,1362745
Занимаемая площадь	м2	19,36
Занимаемый объем	м3	38,72
Высота (макс.)	м	2
Время работы	часы/сутки	12
Рабочий режим	-	Непрерывный

Полученный поток (θ) аммиака затем разделяют на два отдельных потока, называемых θ₁ и θ2, как показано в таблице 11.

Таблица 11
Единица измерения	Массовая скорость входного потока, поток θ	Массовая скорость выходного потока, поток θ1	Массовая скорость выходного потока, поток θ2
кг/ч	2,145	0,092	2,05

Одновременно поток (o) кислорода, полученный электролизом воды, разделяют на два отдельных потока, называемых o₁ и o₂, массовые скорости которых указаны в таблице 12.

Таблица 12
Единица измерения	Массовая скорость входного потока, поток о	Массовая скорость выходного потока, поток o1	Массовая скорость выходного потока, поток o2
кг/ч	3,365	3,122	0,024

Поток (o₁) подают в системы ECLSS для регенерации воздуха кабины экипажа. Поток (o₂) кислорода подают вместе с потоком (λ) аргона, потоком (θ1) аммиака и потоком (π2) воды в блок, в котором получают азотную кислоту по способу Оствальда. Последний из указанных блоков производит поток (ρ) азотной кислоты с массовой скоростью, равной 0,3225 кг/ч, а также поток (σ) отходящего газа, состоящего в основном из аргона, с массовой скоростью, равной 1,735 кг/ч. Потребление мощности и размер, занимаемый данным блоком, приведены в таблице 13.

Таблица 13
Блок установки	Единица измерения	Значение
Название блока	-	Блок получения HNO3
Число блоков	-	1
Полезная нагрузка	кг	27,25801
Потребление мощности	кВт	0,0464515
Занимаемый размер (площадь)	м2	0,725805
Занимаемый размер (объем)	м3	0,725805
Высота (макс.)	м	1
Время работы	часы/сутки	12
Рабочий режим	-	Непрерывный

Поток (θ₂) аммиака далее разделяют на два отдельных потока, называемых θ₂′ и θ2″, соответственно, как показано в таблице 14.

Таблица 14
Единица измерения	Массовая скорость входного потока, поток θ2	Массовая скорость выходного потока, поток $${\theta }_2^{\text{'}}$$	Массовая скорость выходного потока, и поток $${\theta }_2^{"}$$
кг/ч	2,053	2,0	0,053

Одновременно поток (ρ) азотной кислоты разделяют на два потока ρ₁ и ρ₂, как показано в таблице 15.

Таблица 15
Единица измерения	Массовая скорость входного потока, поток ρ	Массовая скорость выходного потока, поток ρ1	Массовая скорость выходного потока, поток ρ2
кг/ч	0,322	0,197	0,125

Содержимое потока (θ2′) аммиака хранят в подходящих резервуарах, из которых NH₃ можно отбирать для дальнейшего использования в качестве ракетного топлива или как удобрения в биологической секции. Содержимое потока (ρ2) азотной кислоты перекачивают в биологическую секцию для использования в качестве источника нитратов в фотобиореакторах. С другой стороны, массовые потоки (θ2″) аммиака и (ρ1) азотной кислоты подают в реактор абсорбции-нейтрализации, где получают поток нитрата аммония (NH₄NO₃) с массовой скоростью, равной 0,25 кг/ч. Последний из указанных потоков можно использовать как удобрение, либо в теплицах, либо в гидропонных системах, ранее установленных на поверхности Марса. Соответствующие характеристики реактора абсорбции-нейтрализации приведены в таблице 16.

Таблица 16
Блок установки	Единица измерения	Значение
Название блока	-	NR (Реактор нейтрализации)
Число блоков	-	1
Полезная нагрузка	кг	10
Потребление мощности	кВт	0,0062
Занимаемый размер (площадь)	м2	0,0314
Занимаемый размер (объем)	м3	0,0062
Высота (макс.)	м	0,2
Время работы	часы/сутки	12
Рабочий режим	-	Непрерывный

С учетом занимаемых размеров и величин потребления мощности всех блоков установки, описанных выше, можно привести следующую итоговую таблицу для физико-химической группы комплекта (см. таблицу 17).

Таблица 17
Физико-химическая группа	Сумма
Полезная нагрузка	73808,57
Потребление мощности	498,76
Занимаемый размер (площадь)	771,64
Занимаемый размер (объем)	1261,65
Высота (макс.)	2*
Время работы	12**

(*это является максимальным значением, применимым для установления размеров куполов, ** среднее значение)

С учетом только блоков установки физико-химической секции, которые работают внутри помещения, суммарный занимаемый размер равен 41,12 м³ при рассмотрении объема и 28 м² при рассмотрении площади. Максимальная высота равна 2 м. Теоретически, последний из указанных размеров должен представлять минимальные размеры геодезического купола, в котором размещены внутренние блоки физико-химической секции. Однако следует заметить, что геодезический купол имел размеры, превышающие последние из указанных размеров, с целью обеспечения подходящего рабочего пространства для сотрудников. Таким образом, действительные размеры геодезического купола являются следующими: радиус равен 4,4 м; объем равен 174 м³, боковая поверхность равна 120 м², а занимаемая площадь равна 60 м². Полезная нагрузка оболочки купола, включая соединения, равна 86 кг, тогда как полезная нагрузка листов из ETFE, имеющих площадь поверхности 120 м², равна 24 кг.

В отношении создания избыточного давления в куполе и его нагревания следует отметить, что минимальные термобарические условия, которые должны быть гарантированы внутри помещения, представляют собой Т≥283 K и P≥0,8. Указанные условия необходимы для обеспечения того, чтобы агрегатное состояние вещества в случае нескольких соединений, вовлеченных в процесс, было тем же, что и на Земле.

Таким образом, в случае предположения об использовании CO₂ для создания избыточного давления в куполе масса вдуваемого CO₂ равна 263,75 кг. Обращаясь к схеме фигуры 1 (пунктирная линия), а также к данным, приведенным выше, можно отметить, что блок TSA производит поток (δ) CO₂, имеющий давление 0,8 бар, с массовой скоростью, равной примерно 117,22 кг/ч. Такой CO₂, находящийся под избыточным давлением, можно вдувать в купол в течение определенного периода времени, в продолжение которого его пропускают мимо электролизера CO₂. Такой период времени можно оценить в 2,25 ч. Таким образом, в течение первых 2,25 ч процесса CO₂, выходящий из блоков TSA, вдувают в купол, а не в электролизер.

При нагревании купола до достижения желаемой температуры потребляется 38 кВт электроэнергии, впоследствии преобразуемых в тепловую энергию. В результате прибавления упомянутого потребления мощности к потреблению, необходимому для снабжения энергией блоков физико-химической секции, общее потребление мощности равно 536765 Вт. Такую мощность можно подавать посредством фотоэлектрической системы, имеющей характеристики, приведенные в таблице 18.

Таблица 18
Параметр	Значение	Единица измерения
Солнечная константа на поверхности Марса (ясное небо)	303	Вт/м2
Эффективность фотоэлектрической системы	11	%
Удельная выработка электрической энергии	33,33	Вт/м2
Площадь каждой матрицы фотоэлектрических панелей	40	м2
Пиковая мощность на одну матрицу	1333,2	Вт
Суммарная гарантируемая пиковая мощность	536765,8	Вт
Общая площадь фотоэлектрической системы	16104,58	м2
Число используемых матриц	402	-

Таким образом, фотоэлектрическая система, которая снабжает энергией физико-химическую секцию, включая купол, простирается примерно на 1,6 га.

Конструкция биологической группы комплекта

При рассмотрении биологической секции (см. фигуру 2), поток (ν′) марсианского реголита с массовой скоростью, равной примерно 5008 кг/ч, подают в блоки МРО, где адсорбированную и гидратную воду извлекают посредством микроволнового нагревания в соответствии со стадией (f′). Блоки МРО производят поток (π′) воды с массовой скоростью, равной 100,174 кг/ч, а также поток (τ′) дегидратированного реголита с массовой скоростью, равной 4908,5 кг/ч. С целью оценки числа блоков МРО, необходимых для достижения таких показателей, рассмотрены характеристики отдельного блока МРО, приведенные в таблице 6. Таким образом, для достижения упомянутых выше массовых скоростей потоков воды и дегидратированного реголита требуется около 500 блоков МРО. Следовательно, общее потребление мощности и занимаемые размеры блоков МРО можно оценить, как показано в таблице 19.

Таблица 19
Блок установки	Единица измерения	Значение
Название блока	-	МРО (1′)
Число блоков	-	500,87
Полезная нагрузка	кг	10017,4
Потребление мощности	кВт	1202,08
Занимаемый размер (площадь)	м2	34,56
Занимаемый размер (объем)	м3	8,64
Высота (макс.)	м	0,25
Время работы	часы/сутки	12
Рабочий режим	-	Непрерывный

Поток (π′) воды затем смешивают с азотной кислотой с целью получения водного раствора для выщелачивания с концентрацией HNO₃, равной примерно 1 мг/л. Смешивание можно осуществлять посредством прямого впрыска потока ( $${\rho }_1^{\text{'}}$$ ) HNO₃ с массовой скоростью, равной 0,1 г/ч, в поток (π′) воды. Следовательно, для смешивания кислоты не требуется никакого специального блока установки. На такой рабочей стадии получают поток (ψ′) выщелачивающего раствора с массовой скоростью, равной примерно 100,174 кг/ч. Одновременно массовый поток (τ′) дегидратированного реголита соответствующим образом разделяют на два разных потока, как показано в таблице 20.

Таблица 20
Единица измерения	Массовая скорость входного потока, поток τ′	Массовая скорость выходного потока, поток $${\tau }_1^{\text{'}}$$	Массовая скорость выходного потока, поток $${\tau }_2^{\text{'}}$$
кг/ч	4908,5	20,0	4885,5

Массовый поток $${\tau }_1^{\text{'}}$$ реголита и массовый поток (ψ′) выщелачивающего раствора затем подают в реактор суспензионного типа, где в соответствии со стадией (i′) питательные вещества переносятся из твердой фазы (т.е. реголита) в жидкую (т.е. выщелачивающий раствор) с помощью механизмов выщелачивания. В реакторе суспензионного типа, характеристики которого приведены в таблице 21, на выходе получают поток (σ′) взвеси с массовой скоростью, равной 120, 2 кг/ч. Взвесь имеет концентрацию твердых веществ, равную 20% масс./масс.

Таблица 21
Блок установки	Единица измерения	Значение
Название блока	-	Реактор суспензионного типа
Число блоков	-	1
Полезная нагрузка	кг	334,8
Потребление мощности	кВт	2,64
Занимаемый размер (площадь)	м2	1,76
Занимаемый размер (объем)	м3	3,01
Высота (макс.)	м	1,52
Время работы	часы/сутки	24
Рабочий режим	-	Непрерывный

Поток (σ′) взвеси затем подвергают разделению фаз твердое тело-жидкость, которое выполняют при помощи фильтровальных пластин. На выходе с фильтра получают следующие потоки: поток (λ′) твердых частиц выщелоченного реголита с массовой скоростью, равной 20 кг/ч, и жидкий раствор ( $${\mu }_1^{\text{'}}$$ ), обогащенный питательными веществами. Последний из упомянутых растворов можно использовать в качестве субстрата для получения культурального бульона (после подачи CO₂ и нитратов) с целью применения для поддержания роста водорослей. Размерные и силовые характеристики фильтра приведены в таблице 22.

Таблица 22
Блок установки	Единица измерения	Значение
Название блока	-	фильтровальная пластина
Число блоков	-	1
Полезная нагрузка	кг	86
Потребление мощности	кВт	0,75
Занимаемый размер (площадь)	м2	кг
Занимаемый размер (объем)	м3	кВт
Высота (макс.)	м	0,72
Время работы	часы/сутки	12
Рабочий режим	-	Непрерывный, с циклом очистки для удаления кека

Одновременно с вышеописанными стадиями осуществляют выделение CO₂ из марсианской газообразной среды и создание его избыточного давления. Для этой цели, в соответствии со стадией (л′), поток (α′) марсианской газообразной среды со скоростью, равной 0,74 кг/ч, подают в блоки TSA, где выполняют отделение CO₂ и создание избыточного давления. На выходе из указанных блоков получают поток (δ′) чистого CO₂ со скоростью, равной 0,71 кг/ч, при давлении 0,8 бар и температуре 450 K. Одновременно блоки TSA вырабатывают второстепенный газовый поток (η′), который состоит в основном из N₂ и Ar, со скоростью, равной 0,03 кг/ч, при давлении 8 мбар и температуре 210 K. Характеристики блоков TSA приведены в таблице 23.

Таблица 23
Характеристика блока	Значение	Единица измерения
Тип цеолита	13X	-
Необходимый объем цеолита	0,046	м3
Длина слоя цеолита	0,914	м
Диаметр слоя цеолита	0,254	м
Отношение L/D	3,6	-
Высота блока	0,5	м
Поверхность облучения для теплообмена	1,5	м2
Потеря давления	8	торр/гCO2/с
Площадь фильтра, используемого для удаления порошка	0,16	м2
Общая потребляемая мощность для каждого слоя	202	Вт
Полезная нагрузка каждого блока	56	Кг

Занимаемый размер и мощность, необходимая для получения находящегося под избыточным давлением CO₂, приведены в таблице 24.

Таблица 24
Блок установки	Единица измерения	Значение
Название блока	-	TSA (5′)
Число блоков	-	3
Полезная нагрузка	кг	168
Потребление мощности	кВт	0,61
Занимаемый размер (площадь)	м2	4,50
Занимаемый размер (объем)	м3	2,25
Высота (макс.)	м	0,50
Время работы	часы/сутки	12
Рабочий режим	-	Непрерывный

В соответствии с рабочей стадией (n′) поток (δ′) находящегося под избыточным давлением CO₂, поток ( $${\mu }_1^{\text{'}}$$ ) питательного раствора, а также поток ( $${\rho }_2^{\text{'}}$$ ) азотной кислоты подают в фотобиореактор BIOCOIL, куда ранее был внесен инокулят желаемой водорослевой разновидности. С целью корректного конструирования фотобиореактора, т.е. для количественной оценки потоков используемой азотной кислоты и биомассы водорослей, а также получаемого фотосинтетического кислорода, выполнены определенные экспериментальные исследования. Их осуществили с использованием фотобиореактора Biocoil, работающего в периодическом режиме с подпиткой и снабжаемого газовым потоком чистого CO₂ (т.е. 100% об./об.), подаваемым непрерывно. На фигуре 3 представлены экспериментальные результаты в виде концентрации водорослей как функции времени культивирования. На фигуре 3 можно видеть, что в указанных выше условиях рост водорослей поддерживали в течение примерно 5 месяцев.

Таким образом, экспериментальные испытания, проведенные с использованием газового потока, который, по составу очень похож на поток, получаемый на Марсе, а также светового потока, который моделирует марсианский поток, показали, что можно непрерывно получать водорослевую биомассу в условиях, очень сходных с условиями, достижимыми внутри купола, в котором размещен фотобиореактор, в течение периода времени (т.е. 5 месяцев), аналогичного по длительности полету на Марс. Определенные на основании результатов экспериментов и моделирования следующие ниже рабочие параметры фотобиореактора, который должен быть введен в действие на поверхности Марса, представлены в таблице 25.

Таблица 25
Параметр	Значение	Единица измерения
Производительность по биомассе	0,095	кг/ч
Расход нитратов	0,062	кг/ч
Расход жидкости	100,174	л/ч
Производительность по кислороду	0,170	кг/ч
Расход CO2	0,178	кг/ч

При сравнении результатов таблицы 25 с потребностями на одного человека, приведенными в таблице 1, можно заметить, что система, в которой вырабатывается около 2,4 кг/сутки съедобной сухой биомассы, может удовлетворять потребности в пище 3 членов экипажа.

Одновременно в фотобиореакторе достигается массовая скорость потока (ω′) фотосинтетического кислорода, равная 0,17 кг/ч. Полученный таким образом кислород можно использовать в системах ECLSS для регенерации воздуха кабины экипажа. Для достижения вышеупомянутых целей требуются два фотобиореактора с характеристиками, приведенными в таблице 26.

Таблица 26
Параметр	Значение	Единица измерения
Общий эффективный объем каждого фотобиореактора	19,5	М3
Длина одного витка	620,70	м
Радиус одного витка	5	м
Длина окружности одного витка	31,415	м
Число витков	19	-
Промежуток между совмещенными витками	0,05	м
Высота фотобиореактора	2,85	м
Площадь одного витка	78,5	м2
Размер, занимаемый фотобиореактором по объему	223,83	м3
Диаметр трубы	0,2	м

Потребление мощности, 62 Вт, обусловлено главным образом насосами, которые обеспечивают циркуляцию жидкости по трубам фотобиореактора. Занимаемые размеры и потребление мощности для всей секции фотобиореактора приведены в таблице 27.

Таблица 27
Блок установки	Единица измерения	Значение
Название блока	-	Фотобиореакторы
Число блоков	-	2
Полезная нагрузка	кг	500
Потребление мощности	кВт	124,23
Занимаемый размер (площадь)	м2	157,08
Занимаемый размер (объем)	м3	447,68
Высота (макс.)	м	2,85
Время работы	часы/сутки	12
Рабочий режим	-	непрерывный

Массовая скорость потока (χ′) биологической взвеси на выходе из реактора составляет около 100,24 кг/ч. Для отделения твердой биомассы водорослей от жидкой фазы упомянутую взвесь подают на стадию центрифугирования, в результате осуществления которой получают поток (θ′) жидкости с массовой скоростью, равной 100,15 кг/ч, и поток (ξ′) обезвоженных микроводорослей с массовой скоростью, равной 0,095 кг/ч. Занимаемые размеры и потребление мощности для блока центрифугирования приведены в таблице 28.

Таблица 28
Блок установки	Единица измерения	Значение
Название блока	-	Центрифуга
Число блоков	-	1
Полезная нагрузка	кг	450
Потребление мощности	кВт	7,00
Занимаемый размер (площадь)	м2	1,13
Занимаемый размер (объем)	м3	2,12
Высота (макс.)	м	1,88
Время работы	часы/сутки	12
Рабочий режим	-	непрерывный

С учетом занимаемых размеров и величин потребления мощности всех блоков установки, описанных выше для биологической группы, можно привести следующую итоговую таблицу для такой группы комплекта (см. таблицу 17).

Таблица 29
Биологическая группа комплекта	Сумма
Полезная нагрузка (кг)	11056,2
Потребление мощности (кВт)	1213,21
Занимаемый размер - площадь (м2)	199,29
Занимаемый размер - объем (м3)	463,89
Высота (м)	2,85*
Время работы (часы/сутки)	12**

(*это является максимальным значением, применимым для установления размеров куполов, **среднее значение)

С целью разработки куполов, в которых размещены блоки установки биологической секции, которые будут работать внутри помещения, рассматривают следующие аспекты:

- блоки TSA работают вне помещения, таким образом, занимаемый ими размер не должен учитываться;

- фотобиореакторы, вносящие вклад, который главным образом оказывает влияние на общий занимаемый размер, будут размещены в куполе на своем собственном основании.

Таким образом, в результате вычисления величины рабочих зон для сотрудников и с учетом всех аспектов, связанных с увеличением размера вышеупомянутого купола, в котором размещена физико-химическая секция, характеристики куполов для биологической секции являются следующими:

- Купол биологической секции (фотобиореакторы исключены)

Данный купол имеет радиус 4,9 м, объем 245 м³, боковую поверхность 150 м² и площадь основания 75 м². Полезная нагрузка рамы, включая соединения, составляет 88 кг. Лист из материала ETFE, покрывающего площадь поверхности, равную 150 м², имеет массу 30 кг, что таким образом обусловливает общую полезную нагрузку купола, равную 118 кг. Вычислено, что масса CO₂, вводимого для нагнетания избыточного давления в куполе до 0,8 бар, составляет 371 кг. CO₂, используемый для создания избыточного давления в куполе, получают при помощи блоков TSA физико-химической секции посредством пропускания его мимо электролизера CO₂ в течение примерно 3,17 часа. Определено, что мощность, необходимая для нагревания внутреннего пространства купола до достижения минимальной температуры около 283 K, составляет 44 кВт.

- Купол для фотобиореакторов

Данный купол имеет радиус 9,5 м, объем 1795 м³, боковую поверхность 567 м² и площадь основания 283 м². Полезная нагрузка рамы, включая соединения, составляет 88 кг. Лист материала ETFE, покрывающий площадь поверхности 567 м², имеет массу 113 кг, что таким образом обусловливает общую полезную нагрузку, равную 300 кг. Вычислено, что масса CO₂, вводимого для нагнетания избыточного давления в куполе до 0,8 бар, составляет 17900 кг. CO₂, используемый для создания избыточного давления в куполе, получают при помощи блоков TSA физико-химической секции посредством пропускания его мимо электролизера CO₂ в течение примерно 153 часов. Определено, что мощность, необходимая для нагревания внутреннего пространства купола до достижения минимальной температуры около 283 K, составляет 320 кВт.

Фотоэлектрическая система должна поставлять энергию, необходимую для питания всех блоков установки, образующих биологическую секцию, а также энергию, требуемую для поддержания внутреннего пространства куполов при температуре по меньшей мере 283 K.

При добавлении мощности, требуемой для нагрева куполов, к энергии, необходимой для блоков установки, можно вычислить общее потребление мощности, равное 1577209 Вт. Такую электрическую энергию можно получать с помощью фотоэлектрической системы, характеристики которой приведены в таблице 30.

Таблица 30
Параметр		Единица
Значение	измерения
Солнечная константа на поверхности Марса (ясное небо)	303	Вт/м2
Эффективность фотоэлектрической системы	11	%
Удельная выработка электрической энергии	33,33	Вт/м2
Площадь каждой матрицы фотоэлектрических панелей	40	м2
Пиковая мощность на одну матрицу	1333,2	Вт
Суммарная гарантируемая пиковая мощность	1577209,0	Вт
Общая площадь фотоэлектрической системы	47321,002	м2
Число используемых матриц	1183	-

С учетом вышесказанного, необходимо использовать 1183 матрицы, и соответствующая площадь основания фотоэлектрической системы, которая снабжает энергией биологическую секцию, равна 4,7 га грунта Марса. Результаты осуществления примера, описанного выше, обобщены в таблице 31 в отношении выработки энергии и материалов обеими группами комплекта (т.е. физико-химической и биологической секцией).

Таблица 31
Полученный материал	Единица измерения	Значение	Использование
Кислород	кг/ч	41,66	Регенерация воздуха и/или воздух для горения
Вода	кг/ч	3,85	Вода для питьевых и гигиенических целей
Аммиак	кг/ч	2,00	Ракетное топливо и/или удобрение
Смесь CO+CO2	кг/ч	78,86	Ракетное топливо
Азотная кислота	кг/ч	0,13	Удобрение и/или выщелачиватель
Нитат аммония	кг/ч	0,25	Удобрение
Водород (µ2)	кг/ч	0,04	Ракетное топливо или получение воды
Буферный газ	кг/ч	0,03	Регенерация воздуха и/или аналитическое оборудование
Питательная жидкость	кг/ч	100,00	Орошение посевов и/или получение воды
Съедобная биомасса	кг/ч	0,09	Пища для астронавтов
Дегидратированный реголит	кг/ч	4888,49	Изготовление структурных устройств
Энергия	МВт	2,11	Энергетическое обеспечение всей установки

Общая полезная нагрузка в полете обобщена в таблице 32.

Таблица 32
Элемент	Единица измерения	Значение
Купол для физико-химической секции	кг	86
Купол для биологической секции (за исключением фотобиореакторов)	кг	118
Купол для фотобиореакторов	кг	300
Блоки установки физико-химической секции	кг	73809
Блоки установки биологической секции	кг	11056
Итого	кг	85369

Из подробного описания и примера, приведенного выше, очевидны преимущества, достигаемые при помощи комплекта и способа изобретения. В частности, комплект создает возможность для осуществления способа изобретения посредством обеспечения всеми материалами и оборудованием, которые будут применяться на марсианском грунте для получения таких материалов, как вода, кислород, ракетные топлива, удобрения, съедобная биомасса и овощи исходя только из марсианских ресурсов, делая таким образом полеты полностью самоподдерживающимися в случае объединения способа изобретения с соответствующими системами ECLSS.

1. Способ получения кислорода, воды, оксида углерода, аммиака, азотных удобрений и съедобной биомассы на марсианском грунте посредством использования доступных местных ресурсов, при этом упомянутый способ включает в себя наличие двух секций, а именно физико-химической секции для получения кислорода, воды, оксида углерода, аммиака и удобрений на основе азота, а также биологической секции для получения съедобной биомассы, причем упомянутая физико-химическая секция заключает в себе осуществление следующих стадий:
a) компоновку на марсианской поверхности по меньшей мере одного геодезического купола для размещения блоков установки, работающих внутри помещения;
b) компоновку вне помещения фотоэлектрических панелей для выработки энергии, необходимой для нагрева пространства внутри указанного по меньшей мере одного купола и для установки по снабжению энергией упомянутых блоков установки;
c) компоновку вне помещения адсорбционного блока с переменным температурным режимом (адсорбера с циклически изменяющейся температурой или TSA) и твердотельного осушителя (реактора адсорбции водяного пара или WAVAR);
d) вдувание находящегося под избыточным давлением марсианского CO₂ в указанный по меньшей мере один купол через TSA до достижения величины внутреннего давления не менее 0,8 бар;
e) нагревание внутреннего пространства указанного по меньшей мере одного купола до достижения температуры не менее 10°C при помощи систем нагрева, снабжаемых энергией упомянутыми фотоэлектрическими панелями;
f) компоновку структуры для механической защиты блоков установки, работающих вне помещения;
g) размещение внутри указанного по меньшей мере одного купола указанных блоков установки для получения удобрений;
h) подачу газа, состоящего из марсианской атмосферы, в блок WAVAR, который работает вне помещения, для извлечения атмосферной воды;
i) выемку и транспортировку марсианского реголита в систему, находящуюся внутри помещения и называемую МРО (микроволновая печь Pizza), для извлечения адсорбированной воды и гидратной воды минералов под действием микроволн;
j) подачу воды, извлеченной из марсианской атмосферы, в резервуар для хранения;
k) разделение воды, извлеченной из реголита, на три потока, называемых π1, π2 и π3;
1) подачу потока π1 воды в электролизер, работающий внутри помещения, для получения двух отдельных потоков H₂ и O₂;
m) подачу дегидратированной атмосферы, выходящей из блока WAVAR, в систему TSA отделения и создания избыточного давления CO₂ на основе циклов адсорбции-десорбции при переменных температурах на цеолитных материалах с одновременным формированием второго газового потока, который по существу состоит из N₂ и Ar;
n) подачу отделенного и находящегося под избыточным давлением CO₂ в электролизер для получения O₂ и газового потока, состоящего из смеси СО и CO₂, подлежащей хранению и используемой в качестве ракетного топлива для работы за бортом;
o) подачу второго потока, выделенного из TSA, который по существу состоит из N₂ и Ar, вместе с H₂, полученным электролизом воды, в реактор, который обеспечивает возможность получения электросинтезом газообразного аммиака (NH₃) с одновременным формированием потока Ar, который является инертным в процессе реакции, приводящей к образованию NH₃;
p) разделение потока полученного NH₃ на два потока, называемых θ1 и θ2;
q) подачу потока Ar, поступающего со стадии (o) электросинтеза, вместе с потоком θ1 продукта NH₃ (p), с кислородом, полученным на стадии (1), с потоком π2 воды, полученным на стадии (k), в блок получения азотной кислоты (HNO₃), который действует на основе способа Оствальда, и при этом отходящий газ состоит главным образом из Ar;
r) разделение потока полученной HNO₃ на два потока, называемых ρ1 и ρ2;
s) дополнительное разделение потока θ2 продукта NH₃, полученного на стадии p), на два потока, называемых θ2′ и θ2″;
t) подачу потока θ2′ в резервуар для хранения, из которого отбирают NH₃, подлежащий использованию в качестве ракетного топлива для работы за бортом или в качестве удобрения для гидропоники;
u) подачу потока ρ1 продукта HNO₃ вместе с потоком θ2″ продукта NH₃, полученным на стадии (s), в реактор для абсорбции и нейтрализации, что обеспечивает возможность получения нитрата аммония (NH₄NO₃), подлежащего использованию в качестве удобрения; и при этом
упомянутая биологическая секция заключает в себе осуществление следующих стадий:
а′) компоновку на марсианской поверхности по меньшей мере одного геодезического купола для размещения блоков установки, работающих внутри помещения;
b′) компоновку вне помещения фотоэлектрических панелей для выработки энергии, необходимой для нагрева пространства внутри указанного по меньшей мере одного купола и для узла снабжения энергией упомянутых блоков установки;
с′) установку вне помещения адсорбционного блока с переменным температурным режимом (адсорбера с циклически изменяющейся температурой или TSA) и твердотельного осушителя (реактора адсорбции водяного пара или WAVAR);
d′) вдувание находящегося под избыточным давлением марсианского CO₂ в указанный по меньшей мере один купол через TSA до достижения величины внутреннего давления не менее 0,8 бар;
е′) нагревание внутреннего пространства упомянутого по меньшей мере одного купола до достижения температуры не менее 10°C при помощи систем нагрева, снабжаемых энергией упомянутыми фотоэлектрическими панелями;
f′) выемку и транспортировку марсианского реголита в систему, находящуюся внутри помещения и называемую МРО (микроволновая печь Pizza), для извлечении адсорбированной воды и гидратной воды минералов под действием микроволн;
g′) смешивание полученной воды с соответствующими количествами азотной кислоты, полученной в упомянутой физико-химической секции;
h′) разделение дегидратированного реголита, полученного на стадии (f′), на два отдельных потока твердых частиц, называемых $${\tau }_1^{\text{'}}$$ и $${\tau }_2^{\text{'}}$$ ;
i′) подачу воды, смешанной с азотной кислотой, полученной на стадии (g′), вместе с потоком $${\tau }_1^{\text{'}}$$ твердых частиц реголита в реактор выщелачивания для переноса питательных микро- и макроэлементов из твердой фазы в жидкую;
j′) подачу смеси твердых частиц и жидкости (взвеси), поступающей из реактора выщелачивания, в систему фильтрации для отделения твердых частиц, называемых «выщелоченным реголитом», от жидкости, обогащенной питательными микро- и макроэлементами, называемой «культуральным бульоном»;
k′) подачу марсианской атмосферы в блок TSA отделения и создания избыточного давления CO₂ на основе циклов адсорбции-десорбции при переменных температурах на цеолитных материалах с одновременным формированием второго газового потока, который по существу состоит из N₂ и Ar;
l′) хранение содержимого упомянутого второго газового потока N₂ и Ar, полученного на стадии (k′), в подходящих контейнерах, из которых его можно отбирать для применения в качестве буферного газа в аналитическом устройстве, используемом на стадиях отбора образцов, выполняемых с научными целями в продолжение полета;
m′) приготовление инокулята подходящих разновидностей водорослей, привезенных с Земли;
n′) подачу «культурального бульона», полученного на стадии (j′), вместе с находящимся под избыточным давлением потоком CO₂, полученным на стадии (k′), вместе с HNO₃, полученной в упомянутой физико-химической секции, и инокулятом, полученным на стадии (m′), в по меньшей мере один фотобиореактор, который используют для стимулирования роста водорослей;
о′) осуществление абсорбции CO₂ в жидкой фазе при помощи систем на основе гидропневматических насосов («эрлифт»), которые обеспечивают возможность надлежащего смешивания компонентов, подаваемых в фотобиореактор, и адекватной циркуляции смеси водорослей и культуральной среды, называемой «биологической взвесью»;
p′) воздействие на указанный по меньшей мере один фотобиореактор источника света, способного активировать фотосинтез, что в результате приводит тем самым к образованию новой фотосинтетической биомассы водорослей и кислорода;
q′) отделение биомассы водорослей от культурального бульона центрифугированием и от кислорода дегазацией;
r′) хранение кислорода, который подают в секции ECLSS (Система контроля за состоянием окружающей среды и жизнеобеспечения), в герметически закрытом и находящемся под избыточным давлением резервуаре, и дополнительное обезвоживание биомассы водорослей с целью использования ее в качестве пищи или пищевой добавки;
s′) перенесение культурального бульона, отработанного на стадии q′), вместе с нитратом аммония (NH₄NO₃), полученным в физико-химической секции, выщелоченным реголитом, полученным на стадии (j′), с соответственными количествами гуминовой и фульвовой кислот, привезенных с Земли, и человеческими метаболическими отходами в указанные купола, где выращивают плантации для производства пищевых продуктов.

2. Способ по п.1, в котором на стадии (g′) вода и азотная кислота находятся в соотношении 1:5.

3. Способ по п.1, в котором на стадии (i′) время контакта между жидкой фазой и твердой фазой составляет приблизительно 24 часа.

4. Способ по п.1, в котором на стадии (p′) упомянутый источник света представляет собой солнечное излучение, падающее на марсианскую поверхность, или систему световых концентраторов и оптических волокон.

5. Способ по п.1, в котором стадия (s′) заключает в себе следующие подстадии:
s′1) воссоздание внутри купола, подлежащего использованию в качестве теплицы на Марсе, условий по температуре и давлению, совместимых с ростом желаемых видов растений;
s′2) подачу выщелоченного реголита, полученного на стадии (j′), в указанный купол, который функционирует как теплица;
s′3) смешивание реголита подстадии (s′2) с нитратом аммония (NH₄NO₃), полученным на стадии (u) физико-химической секции, для обеспечения надлежащего поступления в реголит питательных веществ на основе азота;
s′4) смешивание реголита и нитрата аммония с подходящими количествами гуминовой и фульвовой кислот;
s′5) смешивание с реголитом подходящих количеств органических отходов, поступающих из домов астронавтов, для повышения содержания в грунте органического вещества;
s′6) выполнение посева разновидностей растений;
s′7) орошение посева с использованием отработанного раствора, поступающего из центрифуг; и
s′8) подачу светового потока, необходимого для фотосинтеза.

6. Комплект материалов и устройств для воплощения способа по п.1, включающий в себя «физико-химическую» группу частей и «биологическую» группу частей, при этом упомянутая «физико-химическая» группа содержит:
- по меньшей мере один геодезический купол для размещения различных блоков, используемых в физико-химической секции способа;
- по меньшей мере одну фотоэлектрическую панель для выработки энергии с целью нагрева атмосферы внутри по меньшей мере одного купола и для функционирования блоков установки, описанных ниже;
- по меньшей мере один блок TSA, состоящий по меньшей мере из одного слоя цеолитного адсорбента и по меньшей мере одного радиатора с функцией обеспечения теплообмена с естественной окружающей средой Марса с целью обеспечения возможности осуществления адсорбционно-десорбционных циклов при переменной температуре, для отделения CO₂ от других компонентов газов марсианской атмосферы (главным образом, N₂ и Ar), и создания избыточного давления отделенного CO₂, а также вдувания и установления такого же давления CO₂ в указанном по меньшей мере одном куполе;
- по меньшей мере один блок WAVAR на основе использования цеолитов и процесса адсорбции с последующей десорбцией под действием микроволн для извлечения воды, присутствующей в марсианской атмосфере;
- по меньшей мере один резервуар для хранения воды, извлеченной из атмосферы Марса;
- по меньшей мере один экскаватор и по меньшей мере одну конвейерную ленту для выемки и транспортировки марсианского реголита в блок его переработки;
- по меньшей мере один блок МРО, включающий в себя по меньшей мере один магнетрон для извлечения адсорбированной и гидратной воды из марсианского реголита с использованием нагревания под действием микроволн;
- по меньшей мере один трубчатый соединитель с тремя выходными каналами для разделения воды, извлеченной из реголита, на три потока, называемых π1, π2 и π3;
- по меньшей мере один электролизер для электролиза воды потока π1 и получения водорода и кислорода;
- по меньшей мере один электролизер для электролиза CO₂ и получения отделенного кислорода, а также смеси СО и CO₂;
- по меньшей мере один блок, состоящий по меньшей мере из одного реактора электросинтеза с твердым электролитом (твердооксидный топливный элемент) для получения аммиака из газа с высоким содержанием N₂ и Ar, полученного в блоке TSA, и водорода, полученного электролизом воды;
- по меньшей мере один блок, состоящий из соединителя Т-образной формы для разделения потока полученного аммиака на два потока, называемых θ1 и θ2;
- по меньшей мере один блок для получения азотной кислоты (HNO₃) по способу Оствальда из Ar, NH₃, H₂O, O₂, при этом упомянутый блок заключает в себе по меньшей мере один каталитический реактор, по меньшей мере одну абсорбционную башню и по меньшей мере одну систему для отгонки NOx;
- по меньшей мере один блок, состоящий из соединителя Т-образной формы для разделения потока полученной азотной кислоты (HNO₃) на два потока, называемых ρ1 и ρ2;
- по меньшей мере один блок, состоящий из соединителя Т-образной формы для разделения потока θ2 на два дополнительных потока, называемых θ2′ и θ2″;
- по меньшей мере один резервуар для хранения полученного NH₃; и
- по меньшей мере один газо-жидкостной реактор, работающий в непрерывном режиме, для получения NH₃ и NH₄NO₃ из HNO₃; а
упомянутая «биологическая группа» содержит:
- по меньшей мере один геодезический купол для размещения различных блоков, используемых в биологической секции способа;
- по меньшей мере одну фотоэлектрическую панель для выработки энергии с целью нагревания атмосферы внутри указанного по меньшей мере одного купола и функционирования блоков установки, описанных ниже;
- по меньшей мере один блок TSA, состоящий по меньшей мере из одного слоя адсорбента цеолита и по меньшей мере одного радиатора с функцией обеспечения теплообмена с естественной окружающей средой Марса с целью создания возможности осуществления адсорбционно-десорбционных циклов при переменной температуре для отделения CO₂ от других газовых компонентов марсианской атмосферы (главным образом, N₂ и Ar) и создания избыточного давления отделенного CO₂, а также вдувания и установления того же давления CO₂ в указанном по меньшей мере одном куполе;
- по меньшей мере один экскаватор и по меньшей мере одну конвейерную ленту для выемки грунта и транспортировки марсианского реголита в блок его переработки;
- по меньшей мере один блок МРО, заключающий в себе по меньшей мере один магнетрон для извлечения адсорбированной и гидратной воды из марсианского реголита с использованием микроволнового нагрева;
- по меньшей мере один блок смешивания воды, экстрагированной из реголита, с подходящими количествами азотной кислоты, полученной в физико-химической секции;
- по меньшей мере один блок, состоящий из двухполосной конвейерной ленты для разделения дегидратированного реголита на два потока твердых частиц, называемых $${\tau }_1^{\text{'}}$$ и $${\tau }_2^{\text{'}}$$ ;
- по меньшей мере один реактор, работающий в непрерывном режиме, для выщелачивания потока $${\tau }_1^{\text{'}}$$ твердых частиц реголита смесью воды и азотной кислоты;
- по меньшей мере один блок, состоящий из «пластинчатого фильтра», для разделения твердое тело/жидкость, которое выполняют во взвеси, выходящей из реактора выщелачивания, а также непрерывного получения «культурального бульона» и потока «выщелоченного реголита»;
- по меньшей мере один резервуар для хранения газа на основе N₂ и Ar, полученного в предыдущем блоке в результате отделения от CO₂;
- по меньшей мере один из следующих видов водорослей: Gloeocapsa strain OU_20, Leptolyngbya OU_13 strain, Phormidium strain OU_10, Chroococcidiopsis 029; Arthrospira platensis, Synechococcus elongatus, Anabaena cylindrical; Chlorella vulgaris; Nannochloris Eucaryotum или генетически модифицированные разновидности;
- по меньшей мере один блок приготовления инокулята разновидностей водорослей;
- по меньшей мере один фотобиореактор для получения биомассы водорослей, в котором культуральный бульон осуществляет контактирование инокулята водорослей с азотной кислотой и газовым потоком, имеющим высокое содержание CO₂, называемым θ2;
- по меньшей мере один гидропневматический насос типа «эрлифт» для абсорбции CO₂ в жидкой фазе, достижения надлежащей степени смешивания между компонентами, направляемыми в фотобиореактор, и циркуляции «биологической взвеси»;
- по меньшей мере один блок отделения биомассы водорослей и кислорода, полученных в фотобиореакторе, от отработанного культурального бульона;
- по меньшей мере один резервуар для хранения кислорода, полученного с помощью фотобиореактора;
- по меньшей мере один блок обезвоживания биомассы водорослей; и
- по меньшей мере один геодезический купол, подлежащий использованию в качестве теплицы для выращивания съедобных растений.

7. Комплект по п.6, в котором указанный по меньшей мере один фотобиореактор представляет собой реактор периодического действия с подпиткой.

8. Комплект по п.6, в котором в упомянутом по меньшей мере одном фотобиореакторе содержание кислорода составляет ниже 400% от соответствующих величин насыщения водой.