Simulation und adaptive Regelung einer Anlage zur Erzeugung von Sauerstoff auf dem Planeten Mars

Kurzbeschreibung

Das Zentrum befasste sich vor allem mit der Frage der Erzeugung von Sauerstoff aus lokal verfügbaren Resourcen. Raketentreibstoff besteht immer aus mindestens zwei Komponenten, dem Treibstoff selbst, z.B. Wasserstoff, sowie dem Sauerstoff, der benötigt wird, um den Treibstoff im Weltraum zu verbrennen. So kann z.B. Energie gewonnen werden, indem Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser "verbrannt" wird.

Im Allgemeinen ist der Brennstoff viel leichter als der Sauerstoff. So wiegt z.B. bei der Verbrennung von Wasserstoff der Sauerstoff acht mal mehr als der Treibstoff. Es ist darum ökonomisch interessant, den Sauerstoff aus lokal verfügbaren Resourcen herzustellen und nur den Treibstoff für den Rückflug zur Erde mitzuführen.

Das CULPR Zentrum befasste sich vor allem mit drei Projekten:

1. der Extraktion von Sauerstoff aus Mondgestein,
2. der Extraktion von Sauerstoff aus Asteroiden, sowie
3. der Extraktion von Sauerstoff aus der Mars Atmosphäre.

Das hier beschriebene Projekt befasste sich mit der Extraktion von Sauerstoff aus der Mars Atmosphäre. Ein Prototyp einer vollautomatisch funktionierenden Sauerstoffextraktionsanlage wurde im Labor gebaut und ausgetestet. Es war geplant, eine weltraumtaugliche Version dieser Anlage ca. 2015 zum Planeten Mars zu fliegen, wo sie während 2 Jahren Sauerstoff herstellen und speichern sollte, der im Anschluss daran für den Rückflug einer bemannten Expedition zum Planeten Mars verwendet werden soll.

Die Marsatmosphäre besteht zu einem grossen Teil aus CO₂ Gas bei einer niedrigen atmosphärischen Dichte von ca. 8 mbar. Die Temperatur beträgt ca. -20^o Celsius. Die Atmosphäre wurde zunächst auf 1 bar verdichtet. Dabei erwärmte sie sich bereits. Die Atmosphäre wurde sodann auf ca. 800 K aufgeheizt. Bei dieser Temperatur zerfällt CO₂ zu CO und O₂.

Kohlenmonoxyd und Sauerstoff sind schwer voneinander zu trennen, da sie sehr ähnliche Molekulargewichte (32 bzw. 36) aufweisen. Die Trennung wurde katalytisch mittels einer Zirkonmembran vollzogen.

Das so erhaltene Sauerstoffgas musste nun abgekühlt werden, wobei ein Wärmetauscher dafür sorgte, die so erhaltene Wärme gleich wieder zur Erwärmung des Kohlendioxyds zu verwenden.

Meine eigene Gruppe befasste sich mit Fragen der thermodynamischen Modellierung des Extraktionsprozesses, sowie mit der Erstellung der Prozessüberwachungssoftware.

Wichtigste Publikationen

1. Marner, W.J., J.W. Suitor, L.C. Schooley, and F.E. Cellier (1990), Automation and Control of Off-Planet Oxygen Production Processes, Proc. Space'90, Engineering, Construction, and Operation in Space, New York, Vol.1, pp.226-235.

2. Chi, S.D., B.P. Zeigler, and F.E. Cellier (1991), Model-Based Task Planning System for a Space Laboratory Environment, Proc. SPIE Symp. on Cooperative Intelligent Robots in Space, Boston, MA, Vol.1387, pp.182-193.

3. Zeigler, B.P., S.D. Chi, and F.E. Cellier (1991), Model-Based Architecture for High Autonomy Systems, Engineering Systems with Intelligence - Concepts, Tools and Applications (S.G. Tzafestas, ed.), Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, the Netherlands, pp.3-22.

4. Cellier, F.E., L.C. Schooley, B.P. Zeigler, A. Doser, G. Farrenkopf, J.W. Kim, Y.D. Pan, and B. Williams (1992), Watchdog Monitor Prevents Martian Oxygen Production Plant from Shutting Itself Down During Storm, Proc. ISRAM'92, International Symposium on Robotics and Manufacturing, Santa Fe, NM, pp.697-704.

5. Schooley, L.C., B.P. Zeigler, F.E. Cellier, and F.Y. Wang (1993), High-Autonomy Control of Space Resource Processing Plants, IEEE Control Systems, 13(3), pp.29-39.

Sponsoren

• NASA

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