通过就地资源利用来产生有用材料以维持在火星上的载人太空任务的工艺

摘要

描述了用于产生有用材料以维持在火星上的载人太空任务的工艺，以及用于实施该工艺的材料和装置的成套工具。所述工艺仅使用就地可利用的自然资源，即火星大气和表土，作为原料。成套工具允许通过提供将在火星土壤上使用的所有材料和装置来实施本发明的工艺。

权利要求

1.通过就地使用可用资源在火星土壤上产生氧气、水、一氧化碳、氨、氮肥和可食用生物质的工艺，所述工艺包括两个部分，即，用于产生氧气、水、一氧化碳、氨和基于氮的肥料的化学-物理部分，和用于产生可食用生物质的生物学部分，所述化学-物理部分包括以下步骤：a)在火星表面上组装至少一个网格球顶以容纳室内操作的设备单元；

b)户外组装光伏板以产生用于在所述至少一个球顶内部加热和用于对所述设备单元的设备提供动力所需的能量；

c)户外组装可变温度吸附单元即变温吸附器TSA和固态减湿器即水蒸气吸附反应器WAVAR；

d)通过TSA将被加压的火星CO2吹到所述至少一个球顶中，直到达到不小于0.8巴的内压力；

e)通过由所述光伏板提供动力的加热系统加热所述至少一个球顶的内部，直到达到不小于10℃的温度；

f)组装用于机械保护户外操作的设备单元的结构；

g)将用于产生肥料的设备单元放置到所述至少一个球顶的内部；

h)将由火星大气组成的气体传送到户外操作的所述WAVAR，用于大气水的提取；

i)挖掘并传送火星表土至被称为微波披萨炉的室内系统，用于通过微波来提取被吸附的水和矿物质的水合水；

j)将从火星大气提取的水传送至存储罐；

k)使从表土提取的水分成被称为π1、π2和π3的三个流；

l)将水流π1传送到室内操作的电解器以产生H2和O2的两个不同的流；

m)基于在可变温度下在沸石材料上的吸附-解吸的循环，将从所述WAVAR出来的脱水大气传送到分离和加压CO2的所述TSA，同时产生基本上由N2和Ar组成的第二气流；

n)将被分离和加压的CO2传送到电解器，用于产生O2和由CO和CO2的混合物组成的、将被存储和用作用于舱外活动的推进剂的气流；

o)将基本上由N2和Ar组成的从所述TSA中分离的第二流连同由水的电解产生的H2传送到反应器中，所述反应器允许通过电合成产生气态氨NH3，同时在导致NH3的产生的反应过程中产生是惰性的Ar的流；

p)将所产生的NH3的流分成被称为θ1和θ2的两个流；

q)将来自电合成步骤o)的Ar的流连同来自步骤p)的NH3的流θ1、按照步骤l)产生的氧气、按照步骤k)产生的水流π2传送到用于产生硝酸HNO3和主要由Ar组成的废气的单元，该单元在Ostwald工艺的基础上操作；

r)将所产生的HNO3的流分成被称为ρ1和ρ2的两个流；

s)将按照步骤p)产生的NH3的流θ2进一步分成被称为θ2'和θ2”的两个流；

t)将流θ2'传送到存储罐，从所述存储罐中取出将被用作用于舱外活动的推进剂或用作水栽培的肥料的NH3；

u)将HNO3的流ρ1连同按照步骤s)产生的NH3的流θ2”传送到用于吸收和中和的反应器中，所述反应器允许产生将被用作肥料的硝酸铵NH4NO3；并且所述生物学部分包括以下步骤：

a')在火星表面上组装至少一个网格球顶以容纳室内操作的设备单元；

b')户外组装光伏板以产生用于在所述至少一个球顶内部加热和用于对所述设备单元的设备提供动力所需的能量；

c')户外组装可变温度吸附单元即变温吸附器TSA和固态减湿器即水蒸气吸附反应器WAVAR；

d')通过TSA将被加压的火星CO2吹到所述至少一个球顶中，直到达到不小于0.8巴的内压力；

e')通过由所述光伏板提供动力的加热系统加热所述至少一个球顶的内部，直到达到不小于10℃的温度；

f')挖掘并传送火星表土至被称为微波披萨炉的室内系统，用于通过微波来提取被吸附的水和矿物质的水合水；

g')将产生的水与在所述化学-物理部分中产生的合适量的硝酸混合；

h')将按照步骤f')产生的被脱水的表土分成被称为τ1'和τ2'的两个不同的固体流；

I')将步骤g')中产生的与硝酸混合的水连同表土的所述固体流τ1'传送到浸提反应器中，所述浸提反应器用于将微量营养素和大量营养素从固相转移到液相；

j')将来自所述浸提反应器的固体和液体的混合物浆料传送到过滤系统，所述过滤系统用于从富含微量营养素和大量营养素的被称为“培养肉汤”的所述液体中分离被称为“浸提表土”的所述固体；

k')基于在可变温度下在沸石材料上的吸附-解吸的循环，将火星大气传送到分离和加压CO2的所述TSA，同时产生基本上由N2和Ar组成的第二气流；

l')将按照步骤k')产生的N2和Ar的所述第二气流存储于合适的容器中，所述第二气流可从所述容器中取出以被用作在取样步骤过程中使用的分析装置中的缓冲气体，所述取样步骤是在任务期间为了科学目的而进行的；

m')制备从地球带来的合适的藻类菌株的接种物；

n')将按照步骤j')产生的“培养肉汤”，连同按照步骤k')产生的被加压的CO2流，连同在所述化学-物理部分中产生的HNO3，和按照步骤m')产生的接种物传送到至少一个光生物反应器中以被用于促进藻类生长；

o')在液相中通过基于液压气动泵“airlift”的系统进行CO2吸收，所述液压气动泵允许传送到所述光生物反应器中的组分的适当混合，和被称为“生物浆料”的藻类和培养基的混合物的充分循环；

p')将所述至少一个光生物反应器暴露于能够促进光合作用的光源，从而导致新的光合藻类生物质和氧气的形成；

q')通过离心将所述藻类生物质与所述培养肉汤分离并且通过脱气将氧气分离；

r')将被传送到环境控制与生命保障系统部分的氧气存储于被密封和加压的罐中，并且进一步使藻类生物质脱水以使其用作食物或饮食补充剂；

s')将步骤q')中用过的所述培养肉汤连同所述化学-物理部分中产生的硝酸铵NH4NO3、按照步骤j')产生的所述浸提表土，以及从地球带来的适当量的腐殖酸和富里酸，和人的代谢废物转移到所述球顶中，食物的种植物在所述球顶中生长。

2.如权利要求1所述的工艺，其中在步骤g')中，水和硝酸的比率是1:5。

3.如权利要求1或2所述的工艺，其中在步骤i')中，液相和固相之间的接触时间是

24小时。

4.如权利要求1所述的工艺，其中在步骤p')中，所述光源是火星表面上的入射的太阳辐射，或者是太阳能集中器和光导纤维的系统。

5.如权利要求1所述的工艺，其中所述步骤s')包括以下子步骤：s'1)在被用作火星上的温室的所述球顶的内部再创造与期望的植物物种的生长相匹配的温度和压力条件；

s'2)将按照步骤j')产生的所述浸提表土传送到起温室作用的所述球顶；

s'3)将子阶段s'2)中的所述表土与所述化学-物理部分的步骤u)中产生的硝酸铵NH4NO3混合以确保基于氮的营养素适当地摄取到所述表土中；

s'4)将所述表土和所述硝酸铵与合适量的腐殖酸和富里酸混合；

s'5)将来自宇航员的房间的合适量的有机废物与所述表土混合以增加所述土壤的有机质含量；

s'6)继续进行植物物种的种植；

s'7)通过使用来自离心机的用过的溶液来灌溉农作物；以及s'8)提供光合作用所需的光通量。

6.用于实施权利要求1所述的工艺的材料和装置的成套工具，包括“化学-物理”组的方面和“生物学”组的方面，所述“化学-物理”组包括：-至少一个用于容纳所述工艺的所述化学-物理部分中使用的各种单元的网格球顶；

-至少一个光伏板，其用于产生能量以用于加热所述至少一个球顶内部的大气并且用于运行以下详细说明的设备单元；

-至少一个单元变温吸附器，其由至少一个沸石吸附床和具有确保与火星的自然环境的热交换以允许在可变温度下进行吸附-解吸循环的功能的至少一个散热器组成，用于分离CO2与火星大气气体的主要是N2和Ar的其它成分并且将被分离的CO2加压，以及将相同压力的CO2吹入和输入到所述至少一个球顶中；

-至少一个单元水蒸气吸附反应器，其基于使用沸石和吸附工艺，然后利用微波解吸，用于提取存在于所述火星大气中的水；

-至少一个用于从火星的大气提取的水的存储罐；

-至少一个挖掘机和至少一个传送带，其用于将所述火星表土挖掘和传送到用于处理所述火星表土的单元；

-至少一个单元微波披萨炉，其包括至少一个磁控管，用于通过使用微波加热从所述火星表土提取被吸附的和水合的水；

-至少一个管连接器，其具有用于将从所述表土提取的水分成被称为π1、π2和π3的三个流的三个输出端；

-至少一个用于电解流π1的水和产生氢气和氧气的电解器；

-至少一个用于电解CO2和获得被分离的氧气以及CO和CO2的混合物的电解器；

-至少一个由至少一个具有固体电解质的电合成反应器组成的单元，用于从在所述单元变温吸附器中产生的具有高含量的N2和Ar的气体和通过水的电解获得的氢气来产生氨；

-至少一个由连接器“T”组成的、用于将所产生的氨的流分成被称为θ1和θ2的两个流的单元；

-至少一个用于通过Ostwald工艺由Ar、NH3、H2O、O2产生硝酸HNO3的单元，所述单元包括至少一个催化反应器、至少一个吸收塔和至少一个用于汽提“NOx”的系统；

-至少一个由连接器“T”组成的、用于将所产生的硝酸HNO3的流分成被称为ρ1和ρ2的两个流的单元；

-至少一个由连接器“T”组成的、用于将流θ2进一步分成被称为θ2'和θ2”的两个流的单元；

-至少一个用于所产生的NH3的存储罐；以及

-至少一个气-液反应器，其连续地操作以用于由HNO3产生NH3和NH4NO3，并且所述“生物学”组包括：-至少一个用于容纳所述工艺的所述生物学部分中使用的各种单元的网格球顶；

-至少一个光伏板，其用于产生能量以用于加热所述至少一个球顶内部的大气并且用于运行以下详细说明的设备单元；

-至少一个单元变温吸附器，其由至少一个沸石吸附床和具有确保与火星的自然环境的热交换以允许在可变温度下进行吸附-解吸循环的功能的至少一个散热器组成，用于分离CO2与火星大气气体的主要是N2和Ar的其它成分并且将被分离的CO2加压，以及将相同压力的CO2吹入和输入到所述至少一个球顶中；

-至少一个挖掘机和至少一个传送带，其用于将所述火星表土挖掘和传送到用于处理所述火星表土的单元；

-至少一个单元微波披萨炉，其包括至少一个磁控管，用于通过使用微波加热从所述火星表土提取被吸附的和水合的水；

-至少一个用于将从所述表土提取的水与所述化学-物理部分中产生的合适量的硝酸混合的单元；

-至少一个由双向传送带组成的单元，用于将被脱水的表土分成被称为τ1'和τ2'的两个固体流；

-至少一个反应器，其连续操作以便用水和硝酸的混合物浸提表土的固体流τ1'；

-至少一个由“板式过滤器”组成的单元，用于对从浸提反应器中出来的浆料进行固体/液体分离，并且同时产生“培养肉汤”和“浸提表土”的流；

-至少一个用于存储通过先前的单元获得的由于与CO2分离而产生的基于N2和Ar的气体的罐；

-以下藻类菌株中的至少一种：粘球藻属(Gloeocapsa)菌株OU_20、瘦鞘丝藻 属 (Leptolyngbya)菌 株 OU_13、席 藻 属 (Phormidium)菌 株 OU_10、拟 色 球 藻属(Chroococcidiopsis)029；钝顶螺旋藻(Arthrospira platensis)、细长聚球藻(Synechococcus elongatus)、柱胞鱼腥藻(Anabaena cylindrical)；普通小球 藻(Chlorella vulgaris)；微球藻(Nannochloris Eucaryotum)或基因修饰的菌株；

-至少一个用于制备藻类菌株的接种物的单元；

-至少一个光生物反应器，其用于产生藻类生物质，其中所述培养肉汤使藻类接种物与硝酸和被称为θ2的具有高含量的CO2的气流接触；

-至少一个液压气动泵型“airlift”，其用于液相中的CO2的吸收，在传送到所述光生物反应器中的各组分之间的适当程度的混合，以及“生物浆料”的循环；

-至少一个用于将所述光生物反应器中产生的藻类生物质和氧气从用过的培养肉汤中分离的单元；

-至少一个用于存储由所述光生物反应器产生的氧气的罐；

-至少一个用于使藻类生物质脱水的单元，以及

-至少一个将被用作用于使可食用植物生长的温室的网格球顶。

7.如权利要求6所述的成套工具，其中所述至少一个光生物反应器是补料分批类型的。

8.如权利要求6或7所述的成套工具，其中在所述至少一个光生物反应器中，氧气水平低于水饱和度的对应值的400％。

说明书

通过就地资源利用来产生有用材料以维持在火星上的载人

太空任务的工艺

发明领域

[0001] 本发明涉及开发火星上可利用的自然资源以产生有用材料以维持在火星上的载人太空任务的工艺以及用于实施该工艺的材料和装置的成套工具。

[0002] 技术现状

[0003] 众所周知，NASA有兴趣在接下来的40年中承担小行星、月球和火星上的载人任务(manned mission)。具体地，NASA近期宣布了到2020年登月和2030年之后登火星的任务。

[0004] 特别地，在目前的太空探索计划的框架内，缩写词ISRU(就地资源利用)和ISFR(就地建造和修理)是众所周知的。第一个缩写词涉及使用在月球、火星和/或小行星上已经可利用的资源，而第二个缩写词提出制造维护和修理技术的开发，这允许更长的载人任务持续时间和成本降低。

[0005] 在这样的框架中，开发了通过回收由宇航员产生的液体和固体废物来产生食物和水的新颖的技术。这些技术还涉及由再生源起始产生能量以及构成例如火星大气的CO2的捕获和回收。

[0006] 就以上目标而言，在以国际太空站(ISS)的名义进行的研究活动的框架中，一系列通常以缩写词ECLSS-环境控制与生命保障系统提及的技术已被开发(JF Lewis等人 International space station(ISS)Environmental controls and life support system(ECLSS)manual oxygen management.In:International Conference on Environmental Systems，Rome，Italy，(2005))。

[0007] 目前的ECLSS系统不是完全自持的，因此需要氧气、食物和水的外部输入的整合以满足宇航员需求。自1988年以来，以在实质规模上实施ECLSS范例为目标，ESA(欧洲太空总署)正致力于MELISSA(微生态生命保障系统替代方案)项目，该项目涉及实现闭环工艺(即，仅通过回收废物和能量产生全体船员所需的全部材料)，用于在船员室内创造允许船员在月球和火星上的长期的永久任务期间生存和工作的合适的条件(Mergeay,M.、Verstraete、W.MELISSA:a microorganism based model for CELSS development，in:Proceedings of the Third Symposium on Space Thermal Control&Life Support System.Noordwijk，The Netherlands，第65-68页，1988)。

[0008] 虽然MELISSA项目的最终目标是实现自持系统，但是建模模拟已表明，甚至通过废物回收获得船员所需的100%氧气和20%食物的最低目标也是通过当前技术不可实 现 的 (L.Poughon,L.、Farges,B.、Dussap,C.G.、Godia,F.、Lasseur,C.“Simulation of the MELiSSA closed loop system as a tool to define its integration strategy”Advances in Space Research,44,1392–1403(2009))。

[0009] 因此，需要由火星资源起始获得产物诸如水、氧气、推进剂、肥料、可食用生物质和蔬菜的新颖的工艺，所述工艺通过与当前ECLSS技术协同操作，使克服以上关于当前技术描述的缺点的自持/闭环系统的开发成为可能。

[0010] 发明概述

[0011] 以上目标已通过经就地使用可用资源在火星土壤上产生氧气、水、一氧化碳、氨、氮肥和可食用生物质的工艺实现，所述工艺包括两个部分，即，用于产生氧气、水、一氧化碳、氨和基于氮的肥料的化学-物理部分，和用于产生可食用生物质的生物学部分。

[0012] 特别地，所述化学-物理部分包括以下步骤：

[0013] a)在火星表面上组装至少一个网格球顶(geodesic dome)以容纳室内操作的设备单元(plant unit)；

[0014] b)户外组装光伏板以产生用于在所述至少一个球顶内部加热和用于对所述设备单元的设备提供动力所需的能量；

[0015] c)户外组装可变温度吸附单元(变温吸附器（Temperature Swing Adsorber）或TSA)和固态减湿器(水蒸气吸附反应器（Water Vapor Adsorption Reactor）或WAVAR)；

[0016] d)通过TSA将被加压的火星CO2吹到所述至少一个球顶中，直到达到不小于0.8巴的内压力；

[0017] e)通过由所述光伏板提供动力的加热系统加热所述至少一个球顶的内部，直到达到不小于10℃的温度；

[0018] f)组装用于机械保护户外操作的设备单元的结构；

[0019] g)将用于产生肥料的设备单元放置到所述至少一个球顶的内部；

[0020] h)将由火星大气组成的气体传送到户外操作的WAVAR单元，用于大气水的提取；

[0021] i)挖掘并传送火星表土（Martian regolith）至被称为MPO(微波披萨炉(Microwave Pizza Oven))的室内系统，用于通过微波来提取被吸附的水和矿物质的水合水；

[0022] j)将从火星大气提取的水传送至存储罐；

[0023] k)使从表土提取的水分成被称为π1、π2和π3的三个流；

[0024] l)将水流π1传送到室内操作的电解器以产生H2和O2的两个不同的流；

[0025] m)基于在可变温度下在沸石材料上的吸附-解吸的循环，将从单元WAVAR出来的脱水大气传送到分离和加压CO2的系统TSA，同时产生基本上由N2和Ar组成的第二气流；

[0026] n)将被分离和加压的CO2传送到电解器，用于产生O2和由CO和CO2的混合物组成的、将被存储和用作用于舱外活动的推进剂的气流；

[0027] o)将基本上由N2和Ar组成的从TSA中分离的第二流连同由水的电解产生的H2传送到反应器中，该反应器允许通过电合成产生气态氨(NH3)，同时在导致NH3的产生的反应过程中产生是惰性的Ar的流；

[0028] p)将所产生的NH3的流分成被称为θ1和θ2的两个流；

[0029] q)将来自电合成步骤(o)的Ar的流连同NH3的流θ1(p)、按照步骤(l)产生的氧气、按照步骤(k)产生的水流π2传送到用于产生硝酸(HNO3)和主要由Ar组成的废气的单元，该单元在Ostwald工艺的基础上操作；

[0030] r)将所产生的HNO3的流分成被称为ρ1和ρ2的两个流；

[0031] s)将按照步骤(p)产生的NH3的流θ2进一步分成被称为θ2'和θ2″的两个流；

[0032] t)将流θ2'传送到存储罐，从所述存储罐中取出将被用作用于舱外活动的推进剂或用作水栽培的肥料的NH3；

[0033] u)将HNO3的流ρ1连同按照步骤(s)产生的NH3的流θ2″传送到用于吸收和中和的反应器中，所述反应器允许产生将被用作肥料的硝酸铵(NH4NO3)。

[0034] 所述生物学部分包括以下步骤：

[0035] a')在火星表面上组装至少一个网格球顶以容纳室内操作的设备单元；

[0036] b')户外组装光伏板以产生用于在所述至少一个球顶内部加热和用于对所述设备单元的设备提供动力所需的能量；

[0037] c')户外组装可变温度吸附单元(变温吸附器或TSA)和固态减湿器(水蒸气吸附反应器或WAVAR)；

[0038] d')通过TSA将被加压的火星CO2吹到所述至少一个球顶中，直到达到不小于0.8巴的内压力；

[0039] e')通过由所述光伏板提供动力的加热系统加热所述至少一个球顶的内部，直到达到不小于10℃的温度；

[0040] f')挖掘并传送火星表土至被称为MPO(微波披萨炉)的室内系统，用于通过微波来提取被吸附的水和矿物质的水合水；

[0041] g')将产生的水与在所述化学-物理部分中产生的合适量的硝酸混合；

[0042] h')将按照步骤(f')产生的被脱水的表土分成被称为τ1'和τ2'的两个不同的固体流；

[0043] I')将步骤(g')中产生的与硝酸混合的水连同表土的固体流τ1'传送到浸提反应器中，所述浸提反应器用于将微量营养素和大量营养素从固相转移到液相；

[0044] j')将来自浸提反应器的固体和液体的混合物(浆料)传送到过滤系统，所述过滤系统用于从富含微量营养素和大量营养素的被称为“培养肉汤”的液体中分离被称为“浸提表土”的固体；

[0045] k')基于在可变温度下在沸石材料上的吸附-解吸的循环，将火星大气传送到分离和加压CO2的单元TSA，同时产生基本上由N2和Ar组成的第二气流；

[0046] l')将按照步骤(k')产生的N2和Ar的所述第二气流存储于合适的容器中，所述第二气流可从所述容器中取出以被用作在取样步骤过程中使用的分析装置中的缓冲气体，所述取样步骤是在任务期间为了科学目的而进行的；

[0047] m')制备从地球带来的合适的藻类菌株的接种物；

[0048] n')将按照步骤(j')产生的“培养肉汤”，连同按照步骤(k')产生的被加压的CO2流，连同在所述化学-物理部分中产生的HNO3，和按照步骤(m')产生的接种物传送到至少一个光生物反应器中以被用于促进藻类生长；

[0049] o')在液相中通过基于液压气动泵(“airlift”)的系统进行CO2吸收，所述液压气动泵允许传送到光生物反应器中的组分的适当混合，和藻类和培养基的混合物(被称为“生物浆料”)的充分循环；

[0050] p')将该至少一个光生物反应器暴露于能够促进光合作用的光源，从而导致新的光合藻类生物质和氧气的形成；

[0051] q')通过离心将藻类生物质与培养肉汤分离并且通过脱气将氧气分离；

[0052] r')将被传送到ECLSS部分(环境控制与生命保障系统)的氧气存储于被密封和加压的罐中，并且进一步使藻类生物质脱水以使其用作食物或饮食补充剂；

[0053] s')将步骤q')中用过的培养肉汤连同化学-物理部分中产生的硝酸铵(NH4NO3)、按照步骤(j')产生的浸提表土，以及从地球带来的适当量的腐殖酸和富里酸，和人的代谢废物转移到球顶中，食物的种植物在所述球顶中生长。

[0054] 在另一个方面中，本发明涉及用于实施本发明的工艺的材料和装置的成套工具，该成套工具包括被称为“化学物理”组和“生物学”组的两组部件。成套工具的“化学物理”组包括：

[0055] -至少一个用于容纳该工艺的化学-物理部分中使用的各种单元的网格球顶；

[0056] -至少一个光伏板，其用于产生能量以用于加热所述至少一个球顶内部的大气并且用于运行以下详细说明的设备单元；

[0057] -至少一个单元TSA，其由至少一个沸石吸附床和具有确保与火星的自然环境的热交换以允许在可变温度下进行吸附-解吸循环的功能的至少一个散热器组成，用于分离CO2与火星大气气体的其它成分(主要是N2和Ar)并且将被分离的CO2加压，以及将相同压力的CO2吹入和输入到所述至少一个球顶中；

[0058] -至少一个单元WAVAR，其基于使用沸石和吸附工艺，然后利用微波解吸，用于提取存在于火星大气中的水；

[0059] -至少一个用于从火星的大气提取的水的存储罐；

[0060] -至少一个挖掘机和至少一个传送带，其用于将火星表土挖掘和传送到用于处理该火星表土的单元；

[0061] -至少一个单元MPO，其包括至少一个磁控管，用于通过使用微波加热从火星表土提取被吸附的和水合的水；

[0062] -至少一个管连接器，其具有用于将从表土提取的水分成被称为π1、π2和π3的三个流的三个输出端；

[0063] -至少一个用于电解流π1的水和产生氢气和氧气的电解器；

[0064] -至少一个用于电解CO2和获得被分离的氧气以及CO和CO2的混合物的电解器；

[0065] -至少一个由至少一个具有固体电解质的电合成反应器(固体氧化物燃料电池)组成的单元，用于从在单元TSA中产生的具有高含量的N2和Ar的气体和通过水的电解获得的氢气来产生氨；

[0066] -至少一个由连接器“T”组成的、用于将所产生的氨的流分成被称为θ1和θ2的两个流的单元；

[0067] -至少一个用于通过Ostwald工艺由Ar、NH3、H2O、O2产生硝酸(HNO3)的单元，所述单元包括至少一个催化反应器、至少一个吸收塔和至少一个用于汽提“NOx”的系统；

[0068] -至少一个由连接器“T”组成的、用于将所产生的硝酸(HNO3)的流分成被称为ρ1和ρ2的两个流的单元；

[0069] -至少一个由连接器“T”组成的、用于将流θ2进一步分成被称为θ2'和θ2″的两个流的单元；

[0070] -至少一个用于所产生的NH3的存储罐；以及

[0071] -至少一个气-液反应器，其连续地操作以用于由HNO3产生NH3和NH4NO3。

[0072] “生物学”组包括：

[0073] -至少一个用于容纳所述工艺的生物学部分中使用的各种单元的网格球顶；

[0074] -至少一个光伏板，其用于产生能量以用于加热所述至少一个球顶内部的大气并且用于运行以下详细说明的设备单元；

[0075] -至少一个单元TSA，其由至少一个沸石吸附床和具有确保与火星的自然环境的热交换以允许在可变温度下进行吸附-解吸循环的功能的至少一个散热器组成，用于分离CO2与火星大气气体的其它成分(主要是N2和Ar)并且将被分离的CO2加压，以及将相同压力的CO2吹入和输入到所述至少一个球顶中；

[0076] -至少一个挖掘机和至少一个传送带，其用于将火星表土挖掘和传送到用于处理该火星表土的单元；

[0077] -至少一个单元MPO，其包括至少一个磁控管，用于通过使用微波加热从火星表土提取被吸附的和水合的水；

[0078] -至少一个用于将从表土提取的水与化学-物理部分中产生的合适量的硝酸混合的单元；

[0079] -至少一个由双向传送带组成的单元，用于将被脱水的表土分成被称为τ1'和τ2'的两个固体流；

[0080] -至少一个反应器，其连续操作以便用水和硝酸的混合物浸提表土的固体流τ1'；

[0081] -至少一个由“板式过滤器”组成的单元，用于对从浸提反应器中出来的浆料进行固体/液体分离，并且同时产生“培养肉汤”和“浸提表土”的流；

[0082] -至少一个用于存储通过先前的单元获得的由于与CO2分离而产生的基于N2和Ar的气体的罐；

[0083] -以下藻类菌株中的至少一种：粘球藻属(Gloeocapsa)菌株OU_20、瘦鞘丝藻属(Leptolyngbya)菌株OU_13、席藻属(Phormidium)菌株OU_10、拟色 球藻属(Chroococcidiopsis)029；钝顶螺旋藻(Arthrospira platensis)、细长聚球藻(Synechococcus elongatus)、柱胞鱼腥藻(Anabaena cylindrical)；普通小球 藻(Chlorella vulgaris)；Nannochloris Eucaryotum或基因修饰的菌株；

[0084] -至少一个用于制备藻类菌株的接种物的单元；

[0085] -至少一个光生物反应器，其用于产生藻类生物质，其中培养肉汤使藻类接种物与硝酸和被称为θ2的具有高含量的CO2的气流接触；

[0086] -至少一个液压气动泵型“airlift”，其用于液相中的CO2的吸收，在传送到光生物反应器中的各组分之间的适当程度的混合，以及“生物浆料”的循环；

[0087] -至少一个用于将光生物反应器中产生的藻类生物质和氧气从用过的培养肉汤中分离的单元；

[0088] -至少一个用于存储由光生物反应器产生的氧气的罐；

[0089] -至少一个用于使藻类生物质脱水的单元，以及

[0090] -至少一个将被用作用于使可食用植物生长的温室的网格球顶。

[0091] 如从以下详细描述中将明显的，材料和装置的成套工具以及使用其的工艺允许通过使用就地可获得的自然资源在火星土壤上产生氧气、水、一氧化碳、氨、氮肥和可食用生物质。

[0092] 附图简述

[0093] 本发明的特征和优势将从以下详细描述中、从为了阐明并且非限制性目的而提供的加工实施例中，以及从附图中变得明显，附图中：

[0094] —图1显示了根据本发明的实施例显示的“化学物理”部分的流程图；

[0095] —图2显示了根据本发明的实施例显示的“生物学”部分的流程图；

[0096] —图3在特定的实验性试验期间获得的作为培养时间的函数的藻类生物质浓度。

[0097] 发明详述

[0098] 本发明涉及从火星资源起始用于产生氧气、水、一氧化碳、氨、氮肥、可食用生物质和食物以维持到火星的中/长期载人太空任务的工艺以及用于该工艺的材料和装置的成套工具。

[0099] 本发明涉及的工艺和成套工具应被理解为与ECLSS系统协同操作的系统，因此代表包括实现自持的整合系统的目标的其理想。因此，该工艺是基于火星资源诸如大气、土壤和太阳辐射的使用，其主要特征报道于具体的出版物中，其中，例如：Moroz,V.I.，“Chemical composition of the Atmosphere of Mars”，Advances in Space Research,22,449-457(1998)；和J.F.Bell III等人“Mineralogic And Compositional Properties Of Martian Soil And Dust:Results From Mars Pathfinder”J.Geophys.Res.，105,1721–1755，(2000)。具体地，在火星土壤中已检测到相对高量(约9%wt/wt)的水合水(Rieder,R.等人“Chemistry of Rocks and Soils at Meridiani Planum from the Alpha Particle X-ray Spectrometer”Science306，1746-1749(2004))。

[0100] 因此，本发明涉及包括两个不同的部分的工艺，即，“化学物理部分”，在该部分中产生氧气、水、一氧化碳、氨、氮肥；和“生物学部分”，在该部分中产生可食用生物质，所述“化学-物理部分”包括以下步骤：

[0101] a)在火星表面上组装至少一个网格球顶以容纳室内操作的设备单元；

[0102] b)户外组装光伏板以产生用于在所述至少一个球顶内部加热和用于对所述设备单元的设备提供动力所需的能量；

[0103] c)户外组装可变温度吸附单元(变温吸附器或TSA)和固态减湿器(水蒸气吸附反应器或WAVAR)；

[0104] d)通过TSA将被加压的火星CO2吹到所述至少一个球顶中，直到达到不小于0.8巴的内压力；

[0105] e)通过由所述光伏板提供动力的加热系统加热所述至少一个球顶的内部，直到达到不小于10℃的温度；

[0106] f)组装用于机械保护户外操作的设备单元的结构；

[0107] g)将用于产生肥料的设备单元放置到所述至少一个球顶的内部；

[0108] h)将由火星大气组成的气体传送到户外操作的WAVAR单元，用于大气水的提取；

[0109] i)挖掘并传送火星表土至被称为MPO(微波披萨炉)的室内系统，用于通过微波来提取被吸附的水和矿物质的水合水；

[0110] j)将从火星大气提取的水传送至存储罐；

[0111] k)使从表土提取的水分成被称为π1、π2和π3的三个流；

[0112] l)将水流π1传送到室内操作的电解器以产生H2和O2的两个不同的流；

[0113] m)基于在可变温度下在沸石材料上的吸附-解吸的循环，将从单元WAVAR出来的脱水大气传送到分离和加压CO2的系统TSA，同时产生基本上由N2和Ar组成的第二气流；

[0114] n)将被分离和加压的CO2传送到电解器，用于产生O2和由CO和CO2的混合物组成的、将被存储和用作用于舱外活动的推进剂的气流；

[0115] o)将基本上由N2和Ar组成的从TSA中分离的第二流连同由水的电解产生的H2传送到反应器中，该反应器允许通过电合成产生气态氨(NH3)，同时在导致NH3的产生的反应过程中产生是惰性的Ar的流；

[0116] p)将所产生的NH3的流分成被称为θ1和θ2的两个流；

[0117] q)将来自电合成步骤(o)的Ar的流连同NH3的流θ1(p)、按照步骤(l)产生的氧气、按照步骤(k)产生的水流π2传送到用于产生硝酸(HNO3)和主要由Ar组成的废气的单元，该单元在Ostwald工艺的基础上操作；

[0118] r)将所产生的HNO3的流分成被称为ρ1和ρ2的两个流；

[0119] s)将按照步骤(p)产生的NH3的流θ2进一步分成被称为θ2'和θ2″的两个流；

[0120] t)将流θ2'传送到存储罐，从所述存储罐中取出将被用作用于舱外活动的推进剂或用作水栽培的肥料的NH3；

[0121] u)将HNO3的流ρ1连同按照步骤(s)产生的NH3的流θ2″传送到用于吸收和中和的反应器中，所述反应器允许产生将被用作肥料的硝酸铵(NH4NO3)；并且[0122] 所述生物学部分包括以下步骤：

[0123] a')在火星表面上组装至少一个网格球顶以容纳室内操作的设备单元；

[0124] b')户外组装光伏板以产生用于在所述至少一个球顶内部加热和用于对所述设备单元的设备提供动力所需的能量；

[0125] c')户外组装可变温度吸附单元(变温吸附器或TSA)和固态减湿器(水蒸气吸附反应器或WAVAR)；

[0126] d')通过TSA将被加压的火星CO2吹到所述至少一个球顶中，直到达到不小于0.8巴的内压力；

[0127] e')通过由所述光伏板提供动力的加热系统加热所述至少一个球顶的内部，直到达到不小于10℃的温度；

[0128] f')挖掘并传送火星表土至被称为MPO(微波披萨炉)的室内系统，用于通过微波来提取被吸附的水和矿物质的水合水；

[0129] g')将产生的水与在所述化学-物理部分中产生的合适量的硝酸混合；

[0130] h')将按照步骤(f')产生的被脱水的表土分成被称为τ1'和τ2'的两个不同的固体流；

[0131] I')将步骤(g')中产生的与硝酸混合的水连同表土的固体流τ1'传送到浸提反应器中，所述浸提反应器用于将微量营养素和大量营养素从固相转移到液相；

[0132] j')将来自浸提反应器的固体和液体的混合物(浆料)传送到过滤系统，所述过滤系统用于从富含微量营养素和大量营养素的被称为“培养肉汤”的液体中分离被称为“浸提表土”的固体；

[0133] k')基于在可变温度下在沸石材料上的吸附-解吸的循环，将火星大气传送到分离和加压CO2的单元TSA，同时产生基本上由N2和Ar组成的第二气流；

[0134] l')将按照步骤(k')产生的N2和Ar的所述第二气流存储于合适的容器中，所述第二气流可从所述容器中取出以被用作在取样步骤过程中使用的分析装置中的缓冲气体，所述取样步骤是在任务期间为了科学目的而进行的；

[0135] m')制备从地球带来的合适的藻类菌株的接种物；

[0136] n')将按照步骤(j')产生的“培养肉汤”，连同按照步骤(k')产生的被加压的CO2流，连同在所述化学-物理部分中产生的HNO3，和按照步骤(m')产生的接种物传送到至少一个光生物反应器中以被用于促进藻类生长；

[0137] o')在液相中通过基于液压气动泵(“airlift”)的系统进行CO2吸收，所述液压气动泵允许传送到光生物反应器中的组分的适当混合，和藻类和培养基的混合物(被称为“生物浆料”)的充分循环；

[0138] p')将该至少一个光生物反应器暴露于能够促进光合作用的光源，从而导致新的光合藻类生物质和氧气的形成；

[0139] q')通过离心将藻类生物质与培养肉汤分离并且通过脱气将氧气分离；

[0140] r')将被传送到ECLSS部分(环境控制与生命保障系统)的氧气存储于被密封和加压的罐中，并且进一步使藻类生物质脱水以使其用作食物或饮食补充剂；

[0141] s')将步骤q')中用过的培养肉汤连同化学-物理部分中产生的硝酸铵(NH4NO3)、按照步骤(j')产生的浸提表土，以及从地球带来的适当量的腐殖酸和富里酸，和人的代谢废物转移到球顶中，食物的种植物在所述球顶中生长。

[0142] 因此，本发明的工艺涉及第一步骤a)，其中实施该工艺所需的室内操作的设备单元被安装并且组装在球顶内。通过以下更加详细说明的技术，在球顶的内部设定温压条件(温度和压力)，在所述条件下反应物和产物的聚集状态完全类似于在地球上所观察的相同化合物的聚集状态。

[0143] 步骤(b)涉及光伏系统的安装和配置，所述光伏系统产生对整个工艺提供动力所需的能量。

[0144] 步骤(c)涉及至少一个变温吸附器(TSA)和至少一个固态减湿器(水蒸气吸附反应器或WAVAR)的户外组装。

[0145] 特别地，用于提取火星的大气水的单元(WAVAR)和用于在振荡温度下通过吸附-解吸循环来分离和加压大气CO2的单元(TSA)将在户外操作。虽然这些单元在火星的温压条件下操作，但是它们将由合适的结构机械地保护，免受由在具有火星环境特征的常见的尘暴过程中输送的陨石和/或固体的撞击引起的可能的损坏。这样的结构可以通过特定的技术(诸如，例如，由国际专利(WO2012/014174A2)提出的技术)就地建造。

[0146] 步骤(d)涉及通过TSA单元将被加压的火星CO2强制地吹到球顶的内部，直到达到至少0.8巴的内压力。

[0147] 工艺的步骤(e)涉及使球顶内部的温度增加至至少10℃，但是优选地在10℃和15℃之间。

[0148] 步骤(f)涉及用于机械保护户外操作的装备的结构的构造。

[0149] 步骤(g)涉及将用于产生肥料的设备单元容纳在球顶的内部。所有单元均被安装在球顶的内部和外部后，工艺的步骤(h)涉及将火星大气传送到所述至少一个WAVAR单元。

[0150] 与步骤(h)同时地进行工艺的步骤(i)。后者涉及挖掘火星表土和将其输送至被称为MPO(微波披萨炉)的系统，所述系统室内操作并允许通过微波从矿物质中提取被吸附的和水合的水。在以上步骤过程中获得的水蒸气可被冷凝且然后如步骤(j)所提供的，存储于缓冲罐中，从所述缓冲罐中可以合适的量取出水蒸气以用于该工艺的以下步骤中。然后被脱水的表土通过传送带的系统从容纳MPO系统的结构中移除。

[0151] 步骤(k)涉及从缓冲罐中取出水流并通过合适的管件将其分成被称为π1、π2和π3的三个不同的流。

[0152] 如步骤(l)中所示，流π1被传送到电解器，在电解器中通过利用由光伏系统供应的电力，进行水的电解以及随后的氢气(H2)和氧气(O2)的产生。

[0153] 根据优选的实施方案，水的电解在配备有电极(阴极和阳极)和用于允许离子通过的电解质的以直流电电力供能的电解槽中发生。

[0154] 工艺的步骤(m)涉及将如步骤(h)所示产生的火星脱水大气传送到用于CO2与存在的其它气体的分离以及其前后的加压的系统。优选地，这个步骤通过被称为变温吸附的工艺来进行(Rapp,D.等人.“Adsorption Compressor for Acquisition and Compression of Atmospheric CO2on Mars”，33rd AIAA/ASME/SAE/ASEE，Joint Propulsion Conference and Exhibit,(1997))。

[0155] 通过使用TSA单元，产生以0.8巴的压力为特征的纯CO2的流。这样的单元同时产生主要由N2和Ar组成的第二气体流，该第二气体流将被用于该工艺的后续步骤中。然后，如此获得的0.8巴的纯CO2流被用于加压球顶的内部和/或用于供给电解器，从所述电解器获得CO和O2。然后将所产生的以800℃的温度和0.8巴的压力为特征的氧气存储于合适的罐中，从所述罐中可取出所述氧气以供给到ECLSS系统。

[0156] 一氧化碳可被存储于合适的罐中，从所述罐中可取出一氧化碳以用作可用于进行飞船外活动(extra-vehicular activity)的吉普车（Rovers）和/或其它装备的推进剂，如步骤(n)中所示的。

[0157] 工艺的步骤(o)涉及将由TSA单元产生的主要由N2和Ar组成的第二流连同通过水的电解产生的H2供给到反应器中，该反应器通过电合成产生气态氨(NH3)以及在导致NH3的产生的反应步骤过程中保持惰性的Ar的流。所述氨的电合成可根据由Rui-Quan；L.等人“Synthesis of ammonia at atmospheric pressure with Ce0.8M0.2O2-δ(M=La,Y,Gd,Sm)and their proton conduction at intermediate temperature”Solid State Ionics177(2006)73–76提出的工艺有利地进行，为了本发明的目的，氨的电合成涉及使用氩气代替空气。因此，获得以650℃的温度和0.8-1巴的压力为特征的氨。

[0158] 由于在步骤(o)过程中产生的NH3以良好的热值(约14360kJ/m3)为特征，特定的等份可被用作在飞船外活动过程中利用的推进剂/燃料。而且，由于NH3还以高热导率(约245.6mw/cm·K)为特征，产生的氨的另一等份可被用作系统ECLSS中利用的热交换器中的传热流体。与NH3同步，在步骤(o)过程中获得氩气流，所述氩气流将被用于产生硝酸，如以下步骤(q)中所示的。

[0159] 工艺的步骤(p)涉及将步骤(o)过程中产生的氨的流通过T形连接器分成两个独立的流，即θ1和θ2。

[0160] 工艺的步骤(q)涉及将从电合成部分(o)流出的Ar流连同氨的流θ1(o)和如步骤(l)所示产生的氧气流以及步骤(k)产生的水流π2供给到在工艺Ostwald(Ostwald,W.,“Process of manufacturing nitric acid”美国专利858904(1907))的基础上操作的单元。不同于Ostwald的原始工艺，本发明所涉及的Ar代替过量空气以降低反应的放热性，这允许获得硝酸和氩气，如步骤(q)中所示的。

[0161] 步骤(r)涉及将硝酸的流分成被称为ρ1和ρ2的两个独立的流。如在下面更加详细描述的，然后流ρ1被用作光生物反应器中的大量营养素的源，而流ρ2被供给到吸收/中和反应器，在其中产生硝酸铵(NH4NO3)。

[0162] 在与步骤(r)同时进行的步骤(s)过程中，氨流θ2被进一步分成被称为θ2'和θ2″的两个流。后者被存储于合适的罐中且然后被用作燃料，如由步骤(t)所表示的，而流θ2'被供给到中和反应器，根据步骤(u)从该中和反应器获得硝酸铵。

[0163] 至于“生物部分”，从步骤(a')到步骤(f')完全类似于已关于化学-物理部分描述的相应步骤。

[0164] 步骤(g')涉及将从表土提取的水与化学-物理部分中产生的合适量的硝酸混合。这样的操作允许水pH的下降，从而增强在以下步骤(i')(其涉及浸提工艺)中大量营养素和微量营养素从表土向液相的质量转移。

[0165] 在步骤(h')中将在步骤(f')过程中产生的被脱水的表土的固体流适当地分成分别被称为τ1'和τ2'的两个流。然后固体流τ2'可被用作用于构建用于保护“户外”操作的单元的特定结构的原料。用于产生建筑材料的工艺可以基于由意大利专利申请第MI2010A001412号提出的技术。

[0166] 固体流τ1'必须是很大量的，以足以确保与步骤(g')中产生的水和硝酸的流1:5wt/wt的重量比。

[0167] 步骤(i')涉及将固体流τ1'连同硝酸的流，连同水流供给到反应器中，其中液体和固体接触以形成浆料，所述浆料被连续地搅拌，从而允许液相和固相之间的有效接触。这一步骤的目标是将表土所含有的所有大量营养素(P、S、C)和微量营养素(Fe、Mg、Si，等)转移到液相。这样，产生“培养肉汤”，当所述培养肉汤与基于氮的营养素整合时，其能够维持无机营养藻类生长现象，如Olsson-Francis,K等人“Use of cyanobacteria for in-situ resource use in space applications”Planetary and Space Science581279–1285(2010)中所描述的。用于确保营养素到液相中的有效的质量转移的合适的接触时间是约24小时。

[0168] 工艺的步骤(j')涉及固体/液体分离，其可通过合适的过滤系统(即，过滤板或过滤袋)进行。

[0169] 因此，操作步骤(j')产生两个独立的流，第一流是浸提表土，而第二流是液体，所述液体在与化学物理部分中产生的硝酸混合后将提供用于微藻类的“培养肉汤”。

[0170] 与上述步骤同步地，火星大气的CO2首先被分离且然后通过使用TSA系统被加压。事实上，CO2代表用于维持藻类生长的另一种重要的大量营养素。

[0171] 步骤(m')(该步骤进行“一次”)涉及接种物(inoculus)的制备，所述接种物被供给到光生物反应器中以便其启动。优选地，接种物将由以下藻类菌株组成：粘球藻属菌株OU_20、瘦鞘丝藻属菌株OU_13、席藻属菌株OU_10、拟色球藻属029；钝顶螺旋藻；细长聚球藻；柱胞鱼腥藻；普通小球藻；Nannochloris Eucaryotum或基因工程菌株。

[0172] 步骤(n')涉及将接种物供给到光生物反应器中，以下流同时供给到光生物反应器中：从步骤(j')中产生的浸提流出的液体流，步骤(k')中获得的气态CO2和在化学-物理部分中获得的适量的硝酸。

[0173] 在步骤(o')过程中，优选地，CO2通过airlift型液压气动泵冒泡进入液体中，所述airlift型液压气动泵保证在光生物反应器中的合适的液体循环。而且，优选地使用合适的扩散器以便注入小气泡形式的CO2。另一方面，硝酸可被简单地注入培养肉汤从而允许其富集有硝酸盐。

[0174] 以上提及的化合物与藻类接种物混合后，获得在下文中被称为“生物浆料”的藻类培养物。这样的“生物浆料”如果被暴露于合适的光通量，则能够触发并维持光合现象，该光合现象进而允许可被用作食物原料的藻类生物质的产生。光通量可通过将培养物直接暴露于在火星表面上入射的太阳辐射来供应，或者优选地，借助合适的系统诸如光集中器和光导纤维来供应。

[0175] 因此，光合工艺导致新的微藻类的产生，这导致培养物中的藻类生物质的浓度的增加。

[0176] 根据优选的实施方案，光生物反应器以分批模式(即，以半连续模式)操作。因此，藻类培养在密闭系统中进行，在该密闭系统中，生物浆料被完全再循环，直到生物质浓度达到对应于藻类的生长动力学的稳定期的合适的值。

[0177] 当达到稳定期时，合适量的“生物浆料”被取出并经受脱水处理以便将生物质从用过的“培养肉汤”中分离。然后从光生物反应器取出的该量的生物浆料被等量的新鲜“培养肉汤”(没有微藻类并且如步骤(j')所示产生的)替代，所述培养肉汤重新供应在藻类生长过程中消耗的营养素。

[0178] 当进行新鲜“培养肉汤”的取出和重新整合的操作步骤时，微藻类生长再次以分批模式重新开始。移除和重新整合的操作应该周期性地重复进行，优选地，一天一次，在每天的相同时间，以确保以分批模式生长至少25小时(火星一天的持续时间)。

[0179] 工艺的步骤(q')涉及将每日提取的“生物浆料”转移至固-液分离的步骤，该固-液分离的步骤通过合适的离心系统进行。在该步骤中进行的固-液分离允许藻类生物质与用过的“培养肉汤”分离。

[0180] 后者可被再循环至“生物学部分”的上端以便降低所需的入口水量，且因此降低从表土提取的水量。另一方面，根据优选的实施方案，用过的培养肉汤可被用于灌溉栽培蔬菜的温室或水栽培系统。

[0181] 通过离心机分离的固体藻类生物质可通过微波炉进一步脱水且然后被用作宇航员的食物。

[0182] 在步骤(q')中，通过光合作用产生的氧气通过合适的脱气系统与生物浆料分离且然后被转移到ECLSS单元，在该ECLSS单元中，氧气可被用于船员室的空气再生。因此，所提出的工艺的步骤(r')涉及将通过光合作用产生的氧气存储在合适的加压罐中。

[0183] 步骤(s')涉及将到目前为止所描述的工艺的不同产物转移到以温室形式操作的球顶中，你们的植物和蔬菜可在该球顶中栽培。优选地，步骤(s')包括以下子步骤：

[0184] s'1)在被用作火星上的温室的球顶的内部再创造与期望的植物物种的生长相匹配的温度和压力条件；

[0185] s'2)将按照步骤(j')产生的浸提表土传送到起温室作用的球顶；

[0186] s'3)将子阶段(s'2)中的表土与化学-物理部分的步骤(u)中产生的硝酸铵(NH4NO3)混合以确保基于氮的营养素适当地摄取到表土中；

[0187] s'4)将表土和硝酸铵与合适量的腐殖酸和富里酸混合；

[0188] s'5)将来自宇航员的房间的合适量的有机废物与表土混合以增加土壤的有机质含量；

[0189] s'6)继续进行植物物种的种植；

[0190] s'7)通过使用来自离心机的用过的溶液来灌溉农作物；以及

[0191] s'8)提供光合作用所需的光通量。

[0192] 在另一个方面中，本发明涉及用于实施本发明的工艺的材料和装置的成套工具，该成套工具包括被称为“化学物理”组和“生物学”组的两组部件。成套工具的“化学物理”组包括：

[0193] -至少一个用于容纳该工艺的化学-物理部分中使用的各种单元的网格球顶；

[0194] -至少一个光伏板，其用于产生能量以用于加热所述至少一个球顶内部的大气并且用于运行以下详细说明的设备单元；

[0195] -至少一个单元TSA，其由至少一个沸石吸附床和具有确保与火星的自然环境的热交换以允许在可变温度下进行吸附-解吸循环的功能的至少一个散热器组成，用于分离CO2与火星大气气体的其它成分(主要是N2和Ar)并且将被分离的CO2加压，以及将相同压力的CO2吹入和输入到所述至少一个球顶中；

[0196] -至少一个单元WAVAR，其基于使用沸石和吸附工艺，然后利用微波解吸，用于提取存在于火星大气中的水；

[0197] -至少一个用于从火星的大气提取的水的存储罐；

[0198] -至少一个挖掘机和至少一个传送带，其用于将火星表土挖掘和传送到用于处理该火星表土的单元；

[0199] -至少一个单元MPO，其包括至少一个磁控管，用于通过使用微波加热从火星表土提取被吸附的和水合的水；

[0200] -至少一个管连接器，其具有用于将从表土提取的水分成被称为π1、π2和π3的三个流的三个输出端；

[0201] -至少一个用于电解流π1的水和产生氢气和氧气的电解器；

[0202] -至少一个用于电解CO2和获得被分离的氧气以及CO和CO2的混合物的电解器；

[0203] -至少一个由至少一个具有固体电解质的电合成反应器(固体氧化物燃料电池)组成的单元，用于从在单元TSA中产生的具有高含量的N2和Ar的气体和通过水的电解获得的氢气来产生氨；

[0204] -至少一个由连接器“T”组成的、用于将所产生的氨的流分成被称为θ1和θ2的两个流的单元；

[0205] -至少一个单元，其用于通过Ostwald工艺由Ar、NH3、H2O、O2产生硝酸(HNO3)，所述单元包括至少一个催化反应器、至少一个吸收塔和至少一个用于汽提“NOx”的系统；

[0206] -至少一个由连接器“T”组成的、用于将所产生的硝酸(HNO3)的流分成被称为ρ1和ρ2的两个流的单元；

[0207] -至少一个由连接器“T”组成的、用于将流θ2进一步分成被称为θ2'和θ2″的两个流的单元；

[0208] -至少一个用于所产生的NH3的存储罐；以及

[0209] -至少一个气-液反应器，其连续地操作以用于由HNO3产生NH3和NH4NO3。

[0210] 成套工具的所述“生物学”组包括：

[0211] -至少一个用于容纳所述工艺的生物学部分中使用的各种单元的网格球顶；

[0212] -至少一个光伏板，其用于产生能量以用于加热所述至少一个球顶内部的大气并且用于运行以下详细说明的设备单元；

[0213] -至少一个单元TSA，其由至少一个沸石吸附床和具有确保与火星的自然环境的热交换以允许在可变温度下进行吸附-解吸循环的功能的至少一个散热器组成，用于分离CO2与火星大气气体的其它成分(主要是N2和Ar)并且将被分离的CO2加压，以及将相同压力的CO2吹入和输入到所述至少一个球顶中；

[0214] -至少一个挖掘机和至少一个传送带，其用于将火星表土挖掘和传送到用于处理该火星表土的单元；

[0215] -至少一个单元MPO，其包括至少一个磁控管，用于通过使用微波加热从火星表土提取被吸附的和水合的水；

[0216] -至少一个用于将从表土提取的水与化学-物理部分中产生的合适量的硝酸混合的单元；

[0217] -至少一个由双向传送带组成的单元，用于将被脱水的表土分成被称为τ1'和τ2'的两个固体流；

[0218] -至少一个反应器，其连续操作以便用水和硝酸的混合物浸提表土的固体流τ1'；

[0219] -至少一个由“板式过滤器”组成的单元，用于对从浸提反应器中出来的浆料进行固体/液体分离，并且同时产生“培养肉汤”和“浸提表土”的流；

[0220] -至少一个用于存储通过先前的单元获得的由于与CO2分离而产生的基于N2和Ar的气体的罐；

[0221] -以下藻类菌株中的至少一种：粘球藻属菌株OU_20、瘦鞘丝藻属菌株OU_13、席藻属菌株OU_10、拟色球藻属029；钝顶螺旋藻、细长聚球藻、柱胞鱼腥藻；普通小球藻；Nannochloris Eucaryotum或基因修饰的菌株；

[0222] -至少一个用于制备藻类菌株的接种物的单元；

[0223] -至少一个光生物反应器，其用于产生藻类生物质，其中培养肉汤使藻类接种物与硝酸和被称为θ2的具有高含量的CO2的气流接触；

[0224] -至少一个液压气动泵型“airlift”，其用于液相中的CO2的吸收，在传送到光生物反应器中的各组分之间的适当程度的混合，以及“生物浆料”的循环；

[0225] -至少一个用于将光生物反应器中产生的藻类生物质和氧气从用过的培养肉汤中分离的单元；

[0226] -至少一个用于存储由光生物反应器产生的氧气的罐；

[0227] -至少一个用于使藻类生物质脱水的单元，以及

[0228] -至少一个将被用作用于使可食用植物生长的温室的网格球顶。

[0229] 就成套工具的“化学-物理”组而言，在至少一个网格球顶中容纳物理化学部分的不同的设备单元，所述设备单元必须在至少10℃的温度和至少0.8巴的压力下操作。优选地，球顶由具有圆截面的铝梁的框架构成。优选地，网格球顶的覆盖物(coverage)由具有0.2kg/m2的表面密度以及高机械阻力和热阻力的ETFE(乙烯四氟乙烯)的片构成。

[0230] 优选地，该至少一个光伏系统产生对所发明的工艺的所有操作步骤(包括加热球顶的内部大气的步骤)提供动力所需的能量。根据电力的观点，所述光伏系统优选地被分2
成独立的部分(阵列)，它们中的每个具有约40m的表面，以及将太阳辐射转化成电力的约
11%的收率。

[0231] 变温吸附(其在可变温度下在沸石上使用吸附/解吸循环)的使用是为了根据先前对TSA单元所描述的原理在球顶内分离、吹和压缩CO2而提出的。用于从火星大气提取水的合适的单元可以是由Williams,J.D.等人“Design of a water vapor adsorption reactor for Martian In Situ Resource Utilization”Journal of British Interplanetary Society，48，347-354(1995)描述的单元。

[0232] 至少一个挖掘机和至少一个带式传送机被用于挖掘火星表土和将其输送至处理单元并且特别是输送至被称为MPO单元的水提取系统。就挖掘机而言，合适的类型(typology)可以是Caruso,J.J.等人，“Cratos:A Simple Low Power Excavation and Hauling System for Lunar Oxygen Production and General Excavation Tasks”(2008)所描述的那种，其由通过光伏充电电池组或独立地借助容纳在相同运载工具(vehicle)上的小的光伏系统提供动力的运载工具组成。

[0233] 封闭的带式传送机会将表土转移至微波加热系统，在微波加热系统中，被吸附的和水合的水将被从表土的矿物质中提取出来。因此，传送带将在用于至少MPO单元内传送表土以便水的提取。被提取的水将通过四通管件分成被称为π1、π2和π3的三个独立的流。

[0234] 然后，水流π1被转移到电解单元，所述电解单元由用于质子交换的固体电解质、均由多孔材料制成的阴极和阳极组成，在所述多孔材料上布置有即使在低温下操作也保证良好收率的催化剂。

[0235] 与这些操作平行，CO2分离和加压由从WAVAR单元流出的火星脱水大气起始进行。

[0236] 这样的操作在工艺的步骤(m)过程中在可变温度下通过用于CO2的吸附/解吸的至少一个单元进行。

[0237] 该纯的且被加压的CO2被用于通过由本发明提供的用于CO2电解的至少一个单元产生O2和CO。为了这个目标，提供了使用至少一个电解器，所述电解器由固体电解质、均由多孔材料制成的阴极和阳极组成，在所述多孔材料上布置有即使在低温下操作也保证良好收率的催化剂。

[0238] 用于氨的电合成的上述至少一个电池由用于离子交换的固体氧化物电解质、均由多孔材料制成的阴极和阳极组成，在所述多孔材料上布置有即使在低温下操作也保证良好收率的催化剂。

[0239] 应规定，N2和Ar均被供给到电合成电池。

[0240] 然而，虽然氮气参与关于阶段(o)的这些反应，但是氩气基本上保持惰性。由于这个原因，来自这一单元的输出物(output)将由氨流和氩气流组成。后者可在通过氨燃烧产生硝酸的部分中适当地被用作稀释剂。所产生的氨流而是通过合适的T型管连接器分成被称为θ1和θ2的两个独立的流。

[0241] 工艺的步骤(q)涉及将氨流θ1、连同在步骤(l)中产生的氩气和氧气的整个流以及在步骤(k)中获得的水流π2转移到在用于产生硝酸的Ostwald工艺的基础上操作的单元。这样的工艺是基于在步骤(q)所描述的操作，并且利用在其中进行氨燃烧的催化反应器、在其中HNO3由N2O4起始产生的吸收塔以及在其中NO被汽提并且酸被浓缩的系统。因此，改进的Ostwald工艺(其从能量角度来说是自持的)产生被用于工艺的后续步骤的硝酸、和主要由氩气组成的气流。硝酸可被用作硝酸盐的源以确保藻类在光生物反应器中的生长并且用于产生硝酸铵，所述硝酸铵被用作用于培养可食用植物物种(蔬菜)的肥料。为了这一目的，所产生的硝酸的流通过合适的T型管连接器被适当地分成被称为ρ1和ρ2的两个独立的流。通过利用类似的管连接器，在工艺的步骤(p)中产生的氨流θ2被进一步分成被称为θ2'和θ2″的两个独立的流。

[0242] 本工艺的步骤(u)涉及将硝酸流ρ1连同氨流θ2″供给到用于产生硝酸铵的反应器中。用于产生硝酸铵的至少一个反应器必须是气-液类型。通过操作反应器，结晶的硝酸铵可以以白色粉末形式产生，该结晶的硝酸铵可被用作肥料。

[0243] 就成套工具的“生物学”组而言，优选地，至少一个浆料反应器应被搅动并且涂覆有抗酸涂料。优选地，反应器大小必须使得能够提供至少24小时的滞留时间。从反应器流出的浆料被转移到步骤(j')，在所述步骤(j')中发生固体/液体分离。为了这一目的，本发明的工艺涉及使用至少一个过滤器来分离浆料的固相与液相。

[0244] 用于在可变温度下进行吸附-解吸循环的单元在结构和功能特征上是与化学-物理部分中使用的那些单元类似的。

[0245] 虽然不同的类型的光生物反应器可被使用，但是具有以这样的方式被布置以形成螺旋体的管的管状光生物反应器(被称为BIOCOIL)应该是优选的。管应该由PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)构成，因为它们必须是相对于光合有效辐射是透明的。优选地，管的直径必须小于0.2m。很可能，光生物反应器应该以分批模式利用总体再循环操作。有利地，为了避免损坏和抑制藻类细胞，氧气25水平优选地不应该超过空气饱和值的约400%。由于在光生物反应器的管内通过光合作用产生的氧气不能被除去，因此有利地，藻类培养物被周期性地送到脱气设备以便汽提藻类培养物中的溶解的氧气。被提取的氧气可因此被转移到ECLSS部分，在该ECLSS部分中进行船员室的空气再生。CO2可沿着管被注入以特定的间隔布置的合适的点。这允许有利地阻止由于二氧化碳消耗和过高的pH值而导致的藻类饥饿。

[0246] 对促进光合作用必要的光通量可通过将光生物反应器直接暴露于在火星表面上入射的太阳辐射来供应，或者优选地，借助合适的光收集系统诸如光集中器和光导纤维来供应，所述光收集系统将光转移到容纳光生物反应器的球顶。

[0247] 根据光生物反应器的分批操作模式，合适量的“生物浆料”被取出并且被如步骤(j')中所示获得的等量的新鲜“培养肉汤”替换。然后，使被取出的量的“生物浆料”经受固体/液体分离。优选地，用于将藻类生物质与用过的“培养肉汤”分离的单元通过至少一个离心机进行。

[0248] 所产生的藻类生物质可通过合适的微波炉进一步脱水以然后被用作宇航员的食物。

[0249] 从离心机流出的用过的“培养肉汤”(以营养素(也是基于氮的营养素)的残余浓度为特征)可被用于已经肥沃了的火星土壤的灌溉以便在火星温室中培养蔬菜。

[0250] 为了阐明且非限制性的目的，本文在下面提供了本发明的加工实施例。实施例

[0251] 根据本发明的通过就地使用可利用资源来产生有用材料以维持在火星土壤中的载人太空任务的设备的实施和加工方案

[0252] 首先，考虑探索行星火星的全体船员的生理健康。为了达到这一目的，每日由宇航员提供表1中所报告的水、氧气和食物的最小量。

[0253] 表1

[0254]

[0255] 在这个实施例中，包括本发明的成套工具的装备和材料的设备被设计用于实施本发明的工艺，所述工艺涉及通过就地可利用资源的开发来产生有用材料以维持在火星土壤中的载人太空任务。并且，根据本发明的工艺设计操作参数。

[0256] “化学物理”部分的设备的设计

[0257] 就化学-物理部分而言，首先根据工艺的步骤(h)使质量流率(α)为约121,547kg/h的火星大气通过WAVAR单元脱水。在WAVAR单元的出口处产生质量流率(β)等于约0.02297kg/h的水和质量流率(γ)等于约121.5442kg/h的被脱水的火星大气。

[0258] 以上的所有质量流均以8毫巴的压力和210K的温度为特征。为了计划在火星上的任务的目标，表2显示了WAVAR单元的相关的大小特征。

[0259] 表2

[0260]

[0261] 然后，该质量流率(γ)的被脱水的大气被供给到TSA单元，根据工艺的步骤(o)，CO2首先被分离且然后被加压。

[0262] 在TSA单元的出口处产生质量流率(δ)为约17.225kg/h的具有0.8巴的压力和450°K的温度的纯CO2。同时，在TSA单元的出口处产生质量流率(η)为约4,318kg/h、以8毫巴的压力和210°K的温度为特征且主要由N2和Ar组成的气体。为了保证这样的性能(performance)，应该使用具有表3所示特征的至少11个TSA单元。

[0263] 表3

[0264]

[0265] 因此，该11个TSA单元整体上需要表4中所示的空间和能量可用度。

[0266] 表4

[0267]

[0268] 然后，被加压的纯CO2的流(δ)被供给到电解器，所述电解器在网格球顶内操作，如工艺的步骤(n)所表明的。该单元产生质量流率等于38.36kg/h的纯氧(ω)和质量流率(ε)等于78.86kg/h的含有50%v/v的CO和50%v/v的CO2的气体混合物。以上气体混合物的流可被存储于合适的罐中以便然后被用作将在任务过程中进行的舱外活动的推进剂。另一方面，O2的流被传送到ECLSS系统，在该ECLSS系统中其被用于船员室的空气再生。具体地，应观察到，所产生的O2的质量流率等于460kg/天，其在表1报告的每人需求的基础上允许满足高数目的船员的需求。可选地，剩余的氧气可被用作与合适的推进剂混合的燃烧空气，用于供给在舱外活动过程中使用的内燃机。

[0269] 可能的另外的可选方案是在整个任务的持续时间的一小部分时间内使用由TSA单元产生的CO2来加压球顶。

[0270] 为了由CO2起始产生氧气的目标，电解器被使用。电解器由若干“电池组（battery）”组成，所述电池组通过叠加堆叠(stack)的层获得，所述堆叠的层中的每个由若干叠加的“电解池”(或“晶片”)组成。

[0271] 在这个实施例中，CO2电解器由各自仅含有1个堆叠的至少4个电池组组成，所述堆叠又由10个具有100x100x1cm的大小的叠加的晶片组成，堆叠的总高度是10cm。应用2
于每个电解池的电压是1.7V，而电流密度等于0.4A/cm。这个单元的主要特征显示于表5中。

[0272] 表5

[0273]

[0274] 被传送以通过微波加热的表土(ν)的质量流率是385.04kg/h。出口形成由质量流率等于约7.7kg/h的水(π)和质量流率等于377.34kg/h的被脱水的固体表土(τ)组成的微波加热部分。表6中报告的每个MPO单元的特征被考虑以便评估用于产生上述质量流率所需的MPO单元的数目。

[0275] 表6

[0276]

[0277] 因此，为了处理上述表土的总量(即，385.04kg/h)，需要约39个MPO单元，因此确定了表7中所示的总功率消耗量和足迹大小。

[0278] 表7

[0279]

[0280] 然后，被提取的水流(π)被分成被称为π1、π2和π3的三个独立的流，如表8中所示的。

[0281] 表8

[0282]

[0283] 具体地，流π3被传送到ECLSS系统，在其中产生船员所需的饮用水。应注意，当考虑表1中报告的每人需求时，所产生的饮用水的质量流率可满足12个船员的需求。

[0284] 流π1被供给到水电解器，在其中产生氢气和氧气，如工艺的步骤(l)所报告的。在电解器的出口处获得质量流率等于3.36kg/h的氧气(ο)和质量流率等于0.42kg/h的氢气(κ)。为了产生这样的流，水电解器仅由一个堆叠组成，所述堆叠又由5个电解池组成，所述电解池由具有1cm的厚度的膜电极(NAFION)组件构成。每个电解池的面积等于
2
0.22m。电解池之间的距离等于1cm。应用于每个电解池的电压是1.4V，而电流密度等于
2
1A/cm。每kg供给到电解器的水所消耗的功率等于4.17KW，而有效载荷等于11.2kg。表9概述了对计划该任务和实现上述性能所需的水电解器的所有特征。

[0285] 表9

[0286]

[0287] 用于氨的电合成的反应器产生质量流率等于2.145kg/h的NH3(θ)和质量流率等于1.65kg/h的在反应过程中保持惰性的Ar(λ)。由于电合成反应的收率等于90%，所以还有两个未反应的N2和H2流从反应器中排出。未反应的N2(μ1)的质量流率等于0.196kg/h，而未反应的NH(μ2)的质量流率等于0.042kg/h。

[0288] 为了达到上述结果，电合成反应器必须由146个堆叠组成，所述堆叠中的每个由10个电解池(或晶片)组成。堆叠被布置于15个电池组上，它们中的每个含有10个堆叠。
每个电解池具有100x100x1cm的大小。堆叠间(inter-stack)等于1cm，而电池组间距离等于10cm。
2

[0289] 应用于每个电解池的电压是0.8V，而电流密度等于0.00232A/cm。用于产生2.15kg的NH3所消耗的功率等于8.15KW，而有效载荷等于16525kg。在这些数据的基础上，评估电合成反应器的功率消耗量和足迹大小是可能的(参照表10)。

[0290] 表10

[0291]

[0292] 然后将所产生的氨流(θ)分成被称为θ1和θ2的两个独立的流，如表11中所显示的。

[0293] 表11

[0294]

[0295] 同时，将通过水电解产生的氧气流(ο)分成被称为ο1和ο2的两个独立的流，其质量流率在表12中详细说明。

[0296] 表12

[0297]

[0298] 流(ο1)被传送到ECLSS系统用于船员室的空气再生。氧气流(ο2)连同氩气流(λ)、氨流(θ1)和水流(π2)被传送到通过Ostwald工艺产生硝酸的单元。后面的单元产生质量流率等于0.3225kg/h的硝酸(ρ)以及质量流率等于1.735kg/h的主要由氩气组成的烟气(σ)。该单元的功率消耗量和足迹大小显示于表13中。

[0299] 表13

[0300]

[0301] 氨流(θ2)被进一步分成分别被称为θ2'和θ2″的两个独立的流，如表14中所显示的。

[0302] 表14

[0303]

[0304] 同时，硝酸的流(ρ)被分成两个流ρ1和ρ2，如表15中所显示的。

[0305] 表15

[0306]

[0307] 该质量流率的氨(θ2')被存储于合适的罐中，NH3可从所述罐取出以便然后被用作推进剂或被用作生物学部分中的肥料。该质量流率的硝酸(ρ2)被转移到生物学部分以被用作光生物反应器中的硝酸盐的源。另一方面，这些质量流率的氨(θ2″)和硝酸(ρ1)被供给到吸收-中和反应器，在其中产生质量流率等于0.25kg/h的硝酸铵(NH4NO3)。后者可被用作先前设置在火星表面中的温室中或水栽培系统中的肥料。吸收-中和反应器的相关特征报告于表16中。

[0308] 表16

[0309]

[0310] 通过考虑目前为止所描述的全部设备单元的足迹大小和功率消耗量，可报告成套工具的化学物理组的以下汇总表(参照表17)。

[0311] 表17

[0312]

[0313] (*其是可用于依尺寸制造球顶的最大值，**平均值)

[0314] 通过仅考虑室内操作的化学物理部分的设备单元，就体积而言，总的足迹大小等于41.12m3并且就面积而言，总的足迹大小等于28m2。最大高度等于2m。理论上说，最后的那些大小应该是容纳化学物理部分的室内单元的网格球顶的最小大小。然而，应注意，网格球顶相对于后者的大小是过大的以便确保对工作者的合适的操作空间。因此，网格球顶的实际大小如下：半径等于4.4m，体积等于174m3，外侧面等于120m2，并且足迹面积等于60m2。球顶的外壳(casing)(包括接头)的有效载荷等于86kg，而具有120m2的表面积的ETFE片的有效载荷等于24kg。

[0315] 至于球顶的加压和加热，应注意，室内必须保证的最低温压条件是T≥283K和P≥0.8。这些条件对确保工艺中涉及的某些化合物的聚集物质状态与它们在地球上所具有的聚集物质状态相同是必要的。

[0316] 因此，假设使用CO2来加压球顶，所吹入的CO2的质量等于263.75kg。参照图1的方案(虚线)以及以上报告的数据，可注意到，TSA单元产生质量流率等于约117.22kg/h的具有0.8巴的压力的CO2(δ)。这样的被加压的CO2可在特定的时间段内被吹入球顶中，在所述特定的时间段内CO2电解器是旁路的(by-passed)。这样的时间段可被评估为2.25h。因此，在工艺的初始的2.25h期间，从TSA单元流出的CO2被吹入球顶中而不是电解器中。

[0317] 为了加热球顶直到达到期望的温度，消耗了38kW的电能，其后续被转换成热能。通过将所述功率消耗量加到对化学-物理部分的单元提供动力所需的功率消耗量，总功率消耗量等于536765W。这样的功率可通过具有表18中所示的特征的光伏系统供应。

[0318] 表18

[0319]

[0320] 因此，对化学物理部分(包括球顶)提供动力的光伏系统是约1,6公顷（ha）延伸。

[0321] 成套工具的生物学组的设计

[0322] 就生物学部分而言(参照图2)，质量流率等于约5008kg/h的火星表土（ν'）被传送到MPO单元，在其中被吸附的和水合的水通过微波加热被提取，如步骤(f')所示的。MPO单元产生质量流率等于100.174kg/h的水(π')以及质量流率等于4908.5kg/h的被脱水的表土(τ')。为了评估为达到这样的性能所需的MPO单元的数目，考虑表6中所示的单个MPO单元的特征。因此，为了产生前述质量流率的水和被脱水的表土，需要约500个MPO单元。因此，MPO单元的总功率消耗量和足迹大小可被评估为如表19中所示的。

[0323] 表19

[0324]

[0325] 然后，将水流(π')与硝酸混合以便获得具有等于约1mg/L的HNO3浓度的含水浸提溶液。混合可通过将质量流率等于0.1g/h的HNO3(ρ'1)直接注入水流(π')中来进行。因此，不需要用于混合酸的特定的设备单元。这样的操作步骤产生质量流率等于约100.174kg/h的浸提溶液(ψ')。同时，该质量流率的被脱水的表土(τ')被适当地分成如表20所示的两个不同的流。

[0326] 表20

[0327]

[0328] 然后，该质量流率的表土τ'1和该质量流率的浸提溶液(ψ')被供给到浆料反应器中，在其中根据步骤(i')，营养素通过浸提机制从固相(即，表土)被转移到液相(即，浸提溶液)。浆料反应器(其特征报告于表21中)在出口处产生质量流率等于120,2kg/h的浆料(σ')。浆料是20%wt/wt浓缩的固体。

[0329] 表21.

[0330]

[0331] 然后，使浆料的流(σ')经受固-液相分离，所述固-液相分离通过过滤板进行。在过滤器的出口处产生如下的流：固体质量流率等于20kg/h的浸提表土(λ')和富含营养素(μ1')的液体溶液。后者可被用作用于产生培养肉汤的基质(在供应CO2和硝酸盐之后)以用于维持藻类生长。过滤器的大小和功率特征报告于表22中。

[0332] 表22

[0333]

[0334] 与以上描述的步骤同步地，进行CO2从火星大气的分离及其加压。为了这个目标，根据步骤(k')，流率等于0.74kg/h的火星大气(α')被供给到TSA单元，在其中进行CO2的分离和加压。在这些单元的出口处，等于0.71kg/h的纯CO2流(δ')在0.8巴的压力和450K的温度下产生。同时，TSA单元产生主要由N2和Ar组成的在8毫巴的压力和210K的温度下等于0.03kg/h的第二气流(η')。TSA单元的特征报告于表23中。

[0335] 表23

[0336]

[0337] 获得被加压的CO2所需的足迹大小和功率报告于表24中。

[0338] 表24

[0339]

[0340] 根据操作步骤(n')，被加压的CO2的流(δ')、营养素溶液的流(μ'1)以及硝酸的流(ρ'2)被供给到BIOCOIL光生物反应器中，在其中期望的藻类菌株已被预先接种。为了正确地设计光生物反应器，即，评估被使用的硝酸的流和所产生的藻类生物质和光合氧气，进行了特定的实验活动。后者已通过使用以分批模式操作并且由连续供应的纯CO2(即100%v/v)的气流供给的Biocoil光生物反应器进行。在图3中，实验结果以藻类浓度作为培养时间的函数的方式被显示。从图3可以观察到，在以上条件下，藻类生长持续约5个月。

[0341] 因此，使用在组成上非常类似于火星上可获得的气流的气流以及模拟火星的光通量的光通量进行的实验性试验表明，在非常类似于在容纳光生物反应器的球顶中可获得的条件的条件下，在类似于在火星上的任务的持续时间的时间段(即，5个月)内连续地产生藻类生物质是可能的。基于实验和建模结果，必须在火星表面上实施的光生物反应器的以下操作参数显示于表25中。

[0342] 表25

[0343]

[0344] 通过比较表25的结果与表1中所示的每人需求，可以观察到，产生约2.4kg/天的可食用的干生物质的系统可满足3个船员的食物需求。

[0345] 同时，质量流率等于0.17kg/h的光合氧气(ω')通过光生物反应器产生。如此产生的氧气可被用于ECLSS系统以用于船员室的空气再生。为了达到上述目标，需要具有表26中报告的特征的两个光生物反应器。

[0346] 表26

[0347]

[0348] 功率消耗量62W主要是由于保证沿着光生物反应器的管的液体循环的泵导致的。整个光生物反应器部分的足迹大小和功率消耗量报告于表27中。

[0349] 表27

[0350]

[0351] 在反应器的出口处的生物浆料(χ')的质量流率是约100.24kg/h。为了将固体藻类生物质与液相分离，所述浆料被传送到离心步骤，通过所述离心步骤获得质量流率等于100.15kg/h的液体(θ')和质量流率等于0.095kg/h的被脱水的微藻类(ξ')。离心单元的足迹大小和功率消耗量报告于表28中。

[0352] 表28

[0353]

[0354] 通过考虑目前为止对生物学组所描述的全部设备单元的足迹大小和功率消耗量，可报告成套工具的该组的以下汇总表(参照表17)。

[0355] 表29

[0356]

[0357] (*其是可用于依尺寸制造球顶的最大值，**平均值)

[0358] 为了设计将容纳室内操作的生物学部分的设备单元的球顶，以下方面被考虑：

[0359] ·TSA单元户外操作，因此，它们的足迹大小不必被考虑。

[0360] ·光生物反应器(其代表主要影响总的足迹大小的声音(voice))

[0361] 将独立地被容纳在球顶中。

[0362] 因此，通过说明工作者的操作空间以及通过考虑与先前提及的容纳化学物理部分的球顶的过大大小相关的所有方面，球顶的关于生物学部分的特征如下：

[0363] ·生物学部分(除光生物反应器外)的球顶3 2 2

[0364] 该球顶具有4.9m的半径、245m的体积、150m 的外侧面和75m 的足迹面积。框架2
(包括接头)的有效载荷是88kg。覆盖150m的表面积的ETFE片重量为30kg，因此导致球顶的总有效载荷等于118kg。被注入以便将球顶加压至0.8巴的CO2的质量被评估为371kg。
用于加压球顶的CO2通过化学物理部分的TSA单元通过经过CO2电解器约3.17小时获得。
用于加热球顶的内部直到达到约283K的最低温度所需的功率被评估为44kW。

[0365] ·用于光生物反应器的球顶3 2 2

[0366] 该球顶具有9.5m的半径、1795m的体积、567m 的外侧面和283m 的足迹面积。框2
架(包括接头)的有效载荷是88kg。覆盖567m的表面积的ETFE片重量为113kg，因此导致总有效载荷等于300kg。被注入以便将球顶加压至0.8巴的CO2的质量被评估为17900kg。
用于加压球顶的CO2通过化学物理部分的TSA单元通过经过CO2电解器约153小时获得。
用于加热球顶的内部直到达到约283K的最低温度所需的功率被评估为320kW。

[0367] 光伏系统必须供应对构成生物学部分的所有设备单元提供动力所需的能量以及对使球顶的内部保持至少283°K的温度所需的能量。

[0368] 通过将用于加热球顶所需的功率增加到设备单元所要求的功率，1577209W的总功率消耗量可被评估。这样的电功率可通过表30中报告的特征的光伏系统产生。

[0369] 表30

[0370]

[0371] 因此，1183个阵列必须被使用，并且对生物学部分提供动力的光伏系统的相应的足迹面积（footprint area）等于4.7公顷的火星土壤。对于成套工具的两组(即，化学物理部分和生物学部分)的能量和材料产生的方面，目前为止所描述的实施例的结果被概述于表31中。

[0372] 表31

[0373]

[0374] 任务的总有效载荷概述于表32中。

[0375] 表32

[0376]

[0377] *****

[0378] 从以上详细描述和实施例，通过本发明的成套工具和工艺所实现的优势是明显的。具体地，成套工具允许通过提供所有材料和装备来实施本发明的工艺，所述所有材料和装备将被应用于火星土壤上以用于仅从火星资源起始产生诸如水、氧气、推进剂、肥料、可食用生物质和蔬菜的材料，因此使得当本发明的工艺与合适的ECLSS系统整合时任务是完全自持的。