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

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

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 τ 1 ' 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 τ 1 ' и τ 2 ' ;

- по меньшей мере один реактор, работающий в непрерывном режиме, для выщелачивания потока τ 1 ' 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 τ 1 ' и τ 2 ' ;

i′) подачу воды, смешанной с азотной кислотой, полученной на стадии (g′), вместе с потоком τ 1 ' 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, со