通過就地資源利用來產(chǎn)生有用材料以維持在火星上的載人太空任務(wù)的工藝的制作方法
【專利摘要】描述了用于產(chǎn)生有用材料以維持在火星上的載人太空任務(wù)的工藝，以及用于實施該工藝的材料和裝置的成套工具。所述工藝僅使用就地可利用的自然資源，即火星大氣和表土，作為原料。成套工具允許通過提供將在火星土壤上使用的所有材料和裝置來實施本發(fā)明的工藝。
【專利說明】通過就地資源利用來產(chǎn)生有用材料以維持在火星上的載人太空任務(wù)的工藝
發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及開發(fā)火星上可利用的自然資源以產(chǎn)生有用材料以維持在火星上的載人太空任務(wù)的工藝以及用于實施該工藝的材料和裝置的成套工具。
[0002]技術(shù)現(xiàn)狀
[0003]眾所周知，NASA有興趣在接下來的40年中承擔(dān)小行星、月球和火星上的載人任務(wù)(manned mission)。具體地，NASA近期宣布了到2020年登月和2030年之后登火星的任務(wù)。
[0004]特別地，在目前的太空探索計劃的框架內(nèi)，縮寫詞ISRU(就地資源利用)和ISFR(就地建造和修理)是眾所周知的。第一個縮寫詞涉及使用在月球、火星和/或小行星上已經(jīng)可利用的資源，而第二個縮寫詞提出制造維護和修理技術(shù)的開發(fā)，這允許更長的載人任務(wù)持續(xù)時間和成本降低。
[0005]在這樣的框架中，開發(fā)了通過回收由宇航員產(chǎn)生的液體和固體廢物來產(chǎn)生食物和水的新穎的技術(shù)。這些技術(shù)還涉及由再生源起始產(chǎn)生能量以及構(gòu)成例如火星大氣的CO2的捕獲和回收。
[0006]就以上目標而言，在以國際太空站(ISS)的名義進行的研究活動的框架中，一系列通常以縮寫詞ECLSS-環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)提及的技術(shù)已被開發(fā)(JF Lewis等人 International space station (ISS) Environmental controls and life supportsystem (ECLSS) manual oxygen management.1n:1nternational Conference onEnvironmental Systems, Rome, Ita`ly, (2005))。
[0007]目前的ECLSS系統(tǒng)不是完全自持的，因此需要氧氣、食物和水的外部輸入的整合以滿足宇航員需求。自1988年以來，以在實質(zhì)規(guī)模上實施ECLSS范例為目標，ESA (歐洲太空總署)正致力于MELISSA(微生態(tài)生命保障系統(tǒng)替代方案)項目，該項目涉及實現(xiàn)閉環(huán)工藝(即，僅通過回收廢物和能量產(chǎn)生全體船員所需的全部材料)，用于在船員室內(nèi)創(chuàng)造允許船員在月球和火星上的長期的永久任務(wù)期間生存和工作的合適的條件(Mergeay，M.、Verstraete> ff.MELISSA:a microorganism based model for CELSS development,in:Proceedings of the Third Symposium on Space Thermal Control&Life SupportSystem.Noordwi jk, The Netherlands,第 65-68 頁，1988)。
[0008]雖然MELISSA項目的最終目標是實現(xiàn)自持系統(tǒng)，但是建模模擬已表明，甚至通過廢物回收獲得船員所需的100%氧氣和20%食物的最低目標也是通過當(dāng)前技術(shù)不可實現(xiàn)的(L.Poughon, L.、Farges, B.、Dussap, C.G.、Godia, F.、Lasseur, C.“Simulationof the MELiSSA closed loop system as a tool to define its integrationstrategy” Advances in Space Research, 44，1392 - 1403 (2009))。
[0009]因此，需要由火星資源起始獲得產(chǎn)物諸如水、氧氣、推進劑、肥料、可食用生物質(zhì)和蔬菜的新穎的工藝，所述工藝通過與當(dāng)前ECLSS技術(shù)協(xié)同操作，使克服以上關(guān)于當(dāng)前技術(shù)描述的缺點的自持/閉環(huán)系統(tǒng)的開發(fā)成為可能。
[0010]發(fā)明概述[0011]以上目標已通過經(jīng)就地使用可用資源在火星土壤上產(chǎn)生氧氣、水、一氧化碳、氨、氮肥和可食用生物質(zhì)的工藝實現(xiàn)，所述工藝包括兩個部分，即，用于產(chǎn)生氧氣、水、一氧化碳、氨和基于氮的肥料的化學(xué)-物理部分，和用于產(chǎn)生可食用生物質(zhì)的生物學(xué)部分。
[0012]特別地，所述化學(xué)-物理部分包括以下步驟:
[0013]a)在火星表面上組裝至少一個網(wǎng)格球頂(geodesic dome)以容納室內(nèi)操作的設(shè)備單元(plant unit)；
[0014]b)戶外組裝光伏板以產(chǎn)生用于在所述至少一個球頂內(nèi)部加熱和用于對所述設(shè)備單元的設(shè)備提供動力所需的能量；
[0015]c)戶外組裝可變溫度吸附單元(變溫吸附器(Temperature Swing Adsorber)或TSA)和固態(tài)減濕器(水蒸氣吸附反應(yīng)器(Water Vapor Adsorption Reactor)或WAVAR)；
[0016]d)通過TSA將被加壓的火星CO2吹到所述至少一個球頂中，直到達到不小于0.8巴的內(nèi)壓力；
[0017]e)通過由所述光伏板提供動力的加熱系統(tǒng)加熱所述至少一個球頂?shù)膬?nèi)部，直到達到不小于10°c的溫度；
[0018]f)組裝用于機械保護戶外操作的設(shè)備單元的結(jié)構(gòu)；
[0019]g)將用于產(chǎn)生肥料的設(shè)備單元放置到所述至少一個球頂?shù)膬?nèi)部；
[0020]h)將由火星大氣組成的`氣體傳送到戶外操作的WAVAR單元，用于大氣水的提??；
[0021]i)挖掘并傳送火星表土(Martian regolith)至被稱為MPO (微波披薩爐(Microwave Pizza Oven))的室內(nèi)系統(tǒng),用于通過微波來提取被吸附的水和礦物質(zhì)的水合水；
[0022]j)將從火星大氣提取的水傳送至存儲罐；
[0023]k)使從表土提取的水分成被稱為π 1、Ji 2和3的三個流；
[0024]I)將水流π I傳送到室內(nèi)操作的電解器以產(chǎn)生H2和O2的兩個不同的流；
[0025]m)基于在可變溫度下在沸石材料上的吸附-解吸的循環(huán)，將從單元WAVAR出來的脫水大氣傳送到分離和加壓CO2的系統(tǒng)TSA，同時產(chǎn)生基本上由N2和Ar組成的第二氣流；
[0026]η)將被分離和加壓的CO2傳送到電解器，用于產(chǎn)生O2和由CO和CO2的混合物組成的、將被存儲和用作用于艙外活動的推進劑的氣流；
[0027]ο)將基本上由N2和Ar組成的從TSA中分離的第二流連同由水的電解產(chǎn)生的H2傳送到反應(yīng)器中，該反應(yīng)器允許通過電合成產(chǎn)生氣態(tài)氨(NH3)，同時在導(dǎo)致NH3的產(chǎn)生的反應(yīng)過程中產(chǎn)生是惰性的Ar的流；
[0028]ρ)將所產(chǎn)生的NH3的流分成被稱為Θ I和Θ 2的兩個流；
[0029]q)將來自電合成步驟(O)的Ar的流連同NH3的流Θ I (ρ)、按照步驟⑴產(chǎn)生的氧氣、按照步驟(k)產(chǎn)生的水流η 2傳送到用于產(chǎn)生硝酸(HNO3)和主要由Ar組成的廢氣的單元，該單元在Ostwald工藝的基礎(chǔ)上操作；
[0030]r)將所產(chǎn)生的HNO3的流分成被稱為P I和P 2的兩個流；
[0031]s)將按照步驟(ρ)產(chǎn)生的NH3的流Θ 2進一步分成被稱為Θ 2’和Θ 2"的兩個流；
[0032]t)將流Θ 2’傳送到存儲罐，從所述存儲罐中取出將被用作用于艙外活動的推進劑或用作水栽培的肥料的NH3 ；[0033]u)將HNO3的流P I連同按照步驟(s)產(chǎn)生的NH3的流Θ 2"傳送到用于吸收和中和的反應(yīng)器中，所述反應(yīng)器允許產(chǎn)生將被用作肥料的硝酸銨(NH4NO3)。
[0034]所述生物學(xué)部分包括以下步驟:
[0035]a’ )在火星表面上組裝至少一個網(wǎng)格球頂以容納室內(nèi)操作的設(shè)備單元；
[0036]b’ )戶外組裝光伏板以產(chǎn)生用于在所述至少一個球頂內(nèi)部加熱和用于對所述設(shè)備單元的設(shè)備提供動力所需的能量；
[0037]C，)戶外組裝可變溫度吸附單元(變溫吸附器或TSA)和固態(tài)減濕器(水蒸氣吸附反應(yīng)器或WAVAR)；
[0038]d’)通過TSA將被加壓的火星CO2吹到所述至少一個球頂中，直到達到不小于0.8巴的內(nèi)壓力；
[0039]e’ )通過由所述光伏板提供動力的加熱系統(tǒng)加熱所述至少一個球頂?shù)膬?nèi)部，直到達到不小于10°C的溫度；
[0040]f’)挖掘并傳送火星表土至被稱為MPO(微波披薩爐)的室內(nèi)系統(tǒng)，用于通過微波來提取被吸附的水和礦物質(zhì)的水合水；
[0041]g’ )將產(chǎn)生的水與在所述化學(xué)-物理部分中產(chǎn)生的合適量的硝酸混合；
[0042]h’)將按照步驟(f’)產(chǎn)生的被脫水的表土分成被稱為τ/和τ2’的兩個不同的固體流；
[0043]I’ )將步驟(g’ )中產(chǎn)生的與硝酸混合的水連同表土的固體流τ /傳送到浸提反應(yīng)器中，所述浸提反應(yīng)器用于將微量營養(yǎng)素和大量營養(yǎng)素從固相轉(zhuǎn)移到液相；
[0044]j’ )將來自浸提反應(yīng)器的固體和液體的混合物(漿料)傳送到過濾系統(tǒng)，所述過濾系統(tǒng)用于從富含微量營養(yǎng)素和大量營養(yǎng)素的被稱為“培養(yǎng)肉湯”的液體中分離被稱為“浸提表土”的固體；
[0045]k’ )基于在可變溫度下在沸石材料上的吸附-解吸的循環(huán)，將火星大氣傳送到分離和加壓CO2的單元TSA，同時產(chǎn)生基本上由N2和Ar組成的第二氣流；
[0046]I’)將按照步驟(k’)產(chǎn)生的N2和Ar的所述第二氣流存儲于合適的容器中，所述第二氣流可從所述容器中取出以被用作在取樣步驟過程中使用的分析裝置中的緩沖氣體，所述取樣步驟是在任務(wù)期間為了科學(xué)目的而進行的；
[0047]m’ )制備從地球帶來的合適的藻類菌株的接種物；
[0048]η’)將按照步驟(j’)產(chǎn)生的“培養(yǎng)肉湯”，連同按照步驟(k’)產(chǎn)生的被加壓的CO2流，連同在所述化學(xué)-物理部分中產(chǎn)生的HNO3，和按照步驟(m’)產(chǎn)生的接種物傳送到至少一個光生物反應(yīng)器中以被用于促進藻類生長；
[0049]o’)在液相中通過基于液壓氣動泵(“airlift”)的系統(tǒng)進行CO2吸收，所述液壓氣動泵允許傳送到光生物反應(yīng)器中的組分的適當(dāng)混合，和藻類和培養(yǎng)基的混合物(被稱為“生物漿料”)的充分循環(huán)；
[0050]ρ’ )將該至少一個光生物反應(yīng)器暴露于能夠促進光合作用的光源，從而導(dǎo)致新的光合藻類生物質(zhì)和氧氣的形成；
[0051]q’ )通過離心將藻類生物質(zhì)與培養(yǎng)肉湯分離并且通過脫氣將氧氣分離；
[0052]r')將被傳送到ECLSS部分(環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng))的氧氣存儲于被密封和加壓的罐中，并且進一步使藻類生物質(zhì)脫水以使其用作食物或飲食補充劑；[0053]s’ )將步驟q’ )中用過的培養(yǎng)肉湯連同化學(xué)-物理部分中產(chǎn)生的硝酸銨(NH4NO3)、按照步驟(j’)產(chǎn)生的浸提表土，以及從地球帶來的適當(dāng)量的腐殖酸和富里酸，和人的代謝廢物轉(zhuǎn)移到球頂中，食物的種植物在所述球頂中生長。
[0054]在另一個方面中，本發(fā)明涉及用于實施本發(fā)明的工藝的材料和裝置的成套工具，該成套工具包括被稱為“化學(xué)物理”組和“生物學(xué)”組的兩組部件。成套工具的“化學(xué)物理”組包括:
[0055]-至少一個用于容納該工藝的化學(xué)-物理部分中使用的各種單元的網(wǎng)格球頂；
[0056]-至少一個光伏板，其用于產(chǎn)生能量以用于加熱所述至少一個球頂內(nèi)部的大氣并且用于運行以下詳細說明的設(shè)備單元；
[0057]-至少一個單元TSA，其由至少一個沸石吸附床和具有確保與火星的自然環(huán)境的熱交換以允許在可變溫度下進行吸附-解吸循環(huán)的功能的至少一個散熱器組成，用于分離CO2與火星大氣氣體的其它成分(主要是N2和Ar)并且將被分離的CO2加壓，以及將相同壓力的CO2吹入和輸入到所述至少一個球頂中；
[0058]-至少一個單元WAVAR，其基于使用沸石和吸附工藝，然后利用微波解吸，用于提取存在于火星大氣中的水；
[0059]-至少一個用于從火星的大氣提取的水的存儲罐；
[0060]-至少一個挖掘機和至少一個傳送帶，其用于將火星表土挖掘和傳送到用于處理該火星表土的單元；
[0061]-至少一個單元ΜΡ0，其包括至少一個磁控管，用于通過使用微波加熱從火星表土提取被吸附的和水合的水；`
[0062]-至少一個管連接器，其具有用于將從表土提取的水分成被稱為π1、π 2和π 3的三個流的三個輸出端；
[0063]-至少一個用于電解流I的水和產(chǎn)生氫氣和氧氣的電解器；
[0064]-至少一個用于電解CO2和獲得被分離的氧氣以及CO和CO2的混合物的電解器；
[0065]-至少一個由至少一個具有固體電解質(zhì)的電合成反應(yīng)器(固體氧化物燃料電池)組成的單元，用于從在單元TSA中產(chǎn)生的具有高含量的N2和Ar的氣體和通過水的電解獲得的氫氣來產(chǎn)生氨；
[0066]-至少一個由連接器“Τ”組成的、用于將所產(chǎn)生的氨的流分成被稱為ΘI和Θ 2的兩個流的單元；
[0067]-至少一個用于通過Ostwald工藝由Ar、NH3>H2O> O2產(chǎn)生硝酸(HNO3)的單元,所述單元包括至少一個催化反應(yīng)器、至少一個吸收塔和至少一個用于汽提“NOx”的系統(tǒng)；
[0068]-至少一個由連接器“T”組成的、用于將所產(chǎn)生的硝酸(HNO3)的流分成被稱為PI和P 2的兩個流的單元；
[0069]-至少一個由連接器“T”組成的、用于將流Θ2進一步分成被稱為Θ2’和Θ2"的兩個流的單元；
[0070]-至少一個用于所產(chǎn)生的NH3的存儲罐；以及
[0071 ]-至少一個氣-液反應(yīng)器，其連續(xù)地操作以用于由HNO3產(chǎn)生NH3和ΝΗ4Ν03。
[0072]“生物學(xué)”組包括:
[0073]-至少一個用于容納所述工藝的生物學(xué)部分中使用的各種單元的網(wǎng)格球頂；[0074]-至少一個光伏板，其用于產(chǎn)生能量以用于加熱所述至少一個球頂內(nèi)部的大氣并且用于運行以下詳細說明的設(shè)備單元；
[0075]-至少一個單元TSA，其由至少一個沸石吸附床和具有確保與火星的自然環(huán)境的熱交換以允許在可變溫度下進行吸附-解吸循環(huán)的功能的至少一個散熱器組成，用于分離CO2與火星大氣氣體的其它成分(主要是N2和Ar)并且將被分離的CO2加壓，以及將相同壓力的CO2吹入和輸入到所述至少一個球頂中；
[0076]-至少一個挖掘機和至少一個傳送帶，其用于將火星表土挖掘和傳送到用于處理該火星表土的單元；
[0077]-至少一個單元ΜΡ0，其包括至少一個磁控管，用于通過使用微波加熱從火星表土提取被吸附的和水合的水；
[0078]-至少一個用于將從表土提取的水與化學(xué)-物理部分中產(chǎn)生的合適量的硝酸混合的單元；
[0079]-至少一個由雙向傳送帶組成的單元，用于將被脫水的表土分成被稱為τ/和τ2’的兩個固體流；
[0080]-至少一個反應(yīng)器，其連續(xù)操作以便用水和硝酸的混合物浸提表土的固體流τ i'；
[0081]-至少一個由“板式過濾器”組成的單元，用于對從浸提反應(yīng)器中出來的漿料進行固體/液體分離，并且同 時產(chǎn)生“培養(yǎng)肉湯”和“浸提表土”的流；
[0082]-至少一個用于存儲通過先前的單元獲得的由于與CO2分離而產(chǎn)生的基于N2和Ar的氣體的罐；
[0083]-以下藻類菌株中的至少一種:粘球藻屬(Gloeocapsa)菌株0U_20、瘦鞘絲藻屬(Leptolyngbya)菌株0U_13、席藻屬(Phormidium)菌株0U_10、擬色球藻屬(Chroococcidiopsis) 029 ;純頂螺旋藻(Arthrospira platensis)、細長聚球藻(Synechococcus elongatus) > 柱胞魚渥藻(Anabaena cylindrical);普通小球藻(Chlorella vulgaris) ；Nannochloris Eucaryotum 或基因修飾的菌株；
[0084]-至少一個用于制備藻類菌株的接種物的單元；
[0085]-至少一個光生物反應(yīng)器，其用于產(chǎn)生藻類生物質(zhì)，其中培養(yǎng)肉湯使藻類接種物與硝酸和被稱為Θ 2的具有高含量的CO2的氣流接觸；
[0086]-至少一個液壓氣動泵型“airlift”，其用于液相中的CO2的吸收，在傳送到光生物反應(yīng)器中的各組分之間的適當(dāng)程度的混合，以及“生物漿料”的循環(huán)；
[0087]-至少一個用于將光生物反應(yīng)器中產(chǎn)生的藻類生物質(zhì)和氧氣從用過的培養(yǎng)肉湯中分離的單元；
[0088]-至少一個用于存儲由光生物反應(yīng)器產(chǎn)生的氧氣的罐；
[0089]-至少一個用于使藻類生物質(zhì)脫水的單元，以及
[0090]-至少一個將被用作用于使可食用植物生長的溫室的網(wǎng)格球頂。
[0091]如從以下詳細描述中將明顯的，材料和裝置的成套工具以及使用其的工藝允許通過使用就地可獲得的自然資源在火星土壤上產(chǎn)生氧氣、水、一氧化碳、氨、氮肥和可食用生物質(zhì)。
[0092]附圖簡述[0093]本發(fā)明的特征和優(yōu)勢將從以下詳細描述中、從為了闡明并且非限制性目的而提供的加工實施例中，以及從附圖中變得明顯，附圖中:
[0094]一圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施例顯示的“化學(xué)物理”部分的流程圖；
[0095]一圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施例顯示的“生物學(xué)”部分的流程圖；
[0096]一圖3在特定的實驗性試驗期間獲得的作為培養(yǎng)時間的函數(shù)的藻類生物質(zhì)濃度。
[0097]發(fā)明詳述
[0098]本發(fā)明涉及從火星資源起始用于產(chǎn)生氧氣、水、一氧化碳、氨、氮肥、可食用生物質(zhì)和食物以維持到火星的中/長期載人太空任務(wù)的工藝以及用于該工藝的材料和裝置的成
套工具。
[0099]本發(fā)明涉及的工藝和成套工具應(yīng)被理解為與ECLSS系統(tǒng)協(xié)同操作的系統(tǒng)，因此代表包括實現(xiàn)自持的整合系統(tǒng)的目標的其理想。因此，該工藝是基于火星資源諸如大氣、土壤和太陽輻射的使用，其主要特征報道于具體的出版物中，其中，例如:MotoZ，V.1., “Chemical composition of the Atmosphere of Mars”，Advances in SpaceResearch, 22, 449-457 (1998) jPJ.F.Bell III 等人 “Mineralogic And CompositionalProperties Of Martian Soil And Dust: Results From Mars Pathfinder” J.Geophys.Res.，105，1721 - 1755，(2000)。具體地，在火星土壤中已檢測到相對高量(約9%wt/wt)的水合水(Rieder, R.等人“Chemistry of Rocks and Soils at Meridiani Planum fromthe Alpha Particle X-ray Spectrometer” Science306,1746-1749(2004))。
[0100]因此，本發(fā)明涉及包括兩個不同的部分的工藝，即，“化學(xué)物理部分”，在該部分中產(chǎn)生氧氣、水、一氧化碳、氨、氮肥；和“生物學(xué)部分”，在該部分中產(chǎn)生可食用生物質(zhì)，所述“化學(xué)-物理部分”包括以下步驟:
[0101]a)在火星表面上組裝至少一個網(wǎng)格球頂以容納室內(nèi)操作的設(shè)備單元；
[0102]b)戶外組裝光伏板以產(chǎn)生用于在所述至少一個球頂內(nèi)部加熱和用于對所述設(shè)備單元的設(shè)備提供動力所需的能量；
[0103]c)戶外組裝可變溫度吸附單元(變溫吸附器或TSA)和固態(tài)減濕器(水蒸氣吸附反應(yīng)器或WAVAR)；
[0104]d)通過TSA將被加壓的火星CO2吹到所述至少一個球頂中，直到達到不小于0.8巴的內(nèi)壓力；
[0105]e)通過由所述光伏板提供動力的加熱系統(tǒng)加熱所述至少一個球頂?shù)膬?nèi)部，直到達到不小于10°c的溫度；
[0106]f)組裝用于機械保護戶外操作的設(shè)備單元的結(jié)構(gòu)；
[0107]g)將用于產(chǎn)生肥料的設(shè)備單元放置到所述至少一個球頂?shù)膬?nèi)部；
[0108]h)將由火星大氣組成的氣體傳送到戶外操作的WAVAR單元，用于大氣水的提??；
[0109]i)挖掘并傳送火星表土至被稱為MPO (微波披薩爐)的室內(nèi)系統(tǒng)，用于通過微波來提取被吸附的水和礦物質(zhì)的水合水；
[0110]j)將從火星大氣提取的水傳送至存儲罐；
[0111]k)使從表土提取的水分成被稱為π 1、JI 2和31 3的三個流；
[0112]L)將水流π I傳送到室內(nèi)操作的電解器以產(chǎn)生H2和O2的兩個不同的流；
[0113]m)基于在可變溫度下在沸石材料上的吸附-解吸的循環(huán)，將從單元WAVAR出來的脫水大氣傳送到分離和加壓CO2的系統(tǒng)TSA，同時產(chǎn)生基本上由N2和Ar組成的第二氣流；
[0114]η)將被分離和加壓的CO2傳送到電解器，用于產(chǎn)生O2和由CO和CO2的混合物組成的、將被存儲和用作用于艙外活動的推進劑的氣流；
[0115]ο)將基本上由N2和Ar組成的從TSA中分離的第二流連同由水的電解產(chǎn)生的H2傳送到反應(yīng)器中，該反應(yīng)器允許通過電合成產(chǎn)生氣態(tài)氨(NH3)，同時在導(dǎo)致NH3的產(chǎn)生的反應(yīng)過程中產(chǎn)生是惰性的Ar的流；
[0116]ρ)將所產(chǎn)生的NH3的流分成被稱為Θ I和Θ 2的兩個流；
[0117]q)將來自電合成步驟(O)的Ar的流連同NH3的流θ l(p)、按照步驟⑴產(chǎn)生的氧氣、按照步驟(k)產(chǎn)生的水流η 2傳送到用于產(chǎn)生硝酸(HNO3)和主要由Ar組成的廢氣的單元，該單元在Ostwald工藝的基礎(chǔ)上操作；
[0118]r)將所產(chǎn)生的HNO3的流分成被稱為P I和P 2的兩個流；
[0119]s)將按照步驟(ρ)產(chǎn)生的NH3的流Θ 2進一步分成被稱為Θ 2’和Θ 2"的兩個流；
[0120]t)將流Θ 2’傳送到存儲罐，從所述存儲罐中取出將被用作用于艙外活動的推進劑或用作水栽培的肥料的NH3 ；
[0121]u)將HNO3的流P I連同按照步驟(S)產(chǎn)生的NH3的流Θ 2"傳送到用于吸收和中和的反應(yīng)器中，所述反應(yīng)器允許產(chǎn)生將被用作肥料的硝酸銨(NH4NO3);并且
[0122]所述生物學(xué)部 分包括以下步驟:
[0123]a’ )在火星表面上組裝至少一個網(wǎng)格球頂以容納室內(nèi)操作的設(shè)備單元；
[0124]b’ )戶外組裝光伏板以產(chǎn)生用于在所述至少一個球頂內(nèi)部加熱和用于對所述設(shè)備單元的設(shè)備提供動力所需的能量；
[0125]C，)戶外組裝可變溫度吸附單元(變溫吸附器或TSA)和固態(tài)減濕器(水蒸氣吸附反應(yīng)器或WAVAR)；
[0126]d’)通過TSA將被加壓的火星CO2吹到所述至少一個球頂中，直到達到不小于0.8巴的內(nèi)壓力；
[0127]e’)通過由所述光伏板提供動力的加熱系統(tǒng)加熱所述至少一個球頂?shù)膬?nèi)部，直到達到不小于10°C的溫度；
[0128]f')挖掘并傳送火星表土至被稱為MPO(微波披薩爐)的室內(nèi)系統(tǒng)，用于通過微波來提取被吸附的水和礦物質(zhì)的水合水；
[0129]g’ )將產(chǎn)生的水與在所述化學(xué)-物理部分中產(chǎn)生的合適量的硝酸混合；
[0130]h’)將按照步驟(f’)產(chǎn)生的被脫水的表土分成被稱為τ /和τ2’的兩個不同的固體流；
[0131]I’ )將步驟(g’ )中產(chǎn)生的與硝酸混合的水連同表土的固體流τ /傳送到浸提反應(yīng)器中，所述浸提反應(yīng)器用于將微量營養(yǎng)素和大量營養(yǎng)素從固相轉(zhuǎn)移到液相；
[0132]j’ )將來自浸提反應(yīng)器的固體和液體的混合物(漿料)傳送到過濾系統(tǒng)，所述過濾系統(tǒng)用于從富含微量營養(yǎng)素和大量營養(yǎng)素的被稱為“培養(yǎng)肉湯”的液體中分離被稱為“浸提表土”的固體；
[0133]k’ )基于在可變溫度下在沸石材料上的吸附-解吸的循環(huán)，將火星大氣傳送到分離和加壓CO2的單元TSA，同時產(chǎn)生基本上由N2和Ar組成的第二氣流；[0134]I’)將按照步驟(k’)產(chǎn)生的N2和Ar的所述第二氣流存儲于合適的容器中，所述第二氣流可從所述容器中取出以被用作在取樣步驟過程中使用的分析裝置中的緩沖氣體，所述取樣步驟是在任務(wù)期間為了科學(xué)目的而進行的；
[0135]m’)制備從地球帶來的合適的藻類菌株的接種物；
[0136]η’)將按照步驟(j’)產(chǎn)生的“培養(yǎng)肉湯”，連同按照步驟(k’)產(chǎn)生的被加壓的CO2流，連同在所述化學(xué)-物理部分中產(chǎn)生的HNO3，和按照步驟(m’)產(chǎn)生的接種物傳送到至少一個光生物反應(yīng)器中以被用于促進藻類生長；
[0137]o’)在液相中通過基于液壓氣動泵(“airlift”)的系統(tǒng)進行CO2吸收，所述液壓氣動泵允許傳送到光生物反應(yīng)器中的組分的適當(dāng)混合，和藻類和培養(yǎng)基的混合物(被稱為“生物漿料”)的充分循環(huán)；
[0138]P’ )將該至少一個光生物反應(yīng)器暴露于能夠促進光合作用的光源，從而導(dǎo)致新的光合藻類生物質(zhì)和氧氣的形成；
[0139]q’ )通過離心將藻類生物質(zhì)與培養(yǎng)肉湯分離并且通過脫氣將氧氣分離；
[0140]r )將被傳送到ECLSS部分(環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng))的氧氣存儲于被密封和加壓的罐中，并且進一步使藻類生物質(zhì)脫水以使其用作食物或飲食補充劑；
[0141]s’)將步驟q’)中用過的培養(yǎng)肉湯連同化學(xué)-物理部分中產(chǎn)生的硝酸銨(NH4NO3)、按照步驟(j’)產(chǎn)生的浸提表土，以及從地球帶來的適當(dāng)量的腐殖酸和富里酸，和人的代謝廢物轉(zhuǎn)移到球頂中，食物的種植物在所述球頂中生長。
`[0142]因此，本發(fā)明的工藝涉及第一步驟a)，其中實施該工藝所需的室內(nèi)操作的設(shè)備單元被安裝并且組裝在球頂內(nèi)。通過以下更加詳細說明的技術(shù)，在球頂?shù)膬?nèi)部設(shè)定溫壓條件(溫度和壓力)，在所述條件下反應(yīng)物和產(chǎn)物的聚集狀態(tài)完全類似于在地球上所觀察的相同化合物的聚集狀態(tài)。
[0143]步驟(b)涉及光伏系統(tǒng)的安裝和配置，所述光伏系統(tǒng)產(chǎn)生對整個工藝提供動力所
需的能量。
[0144]步驟(c)涉及至少一個變溫吸附器(TSA)和至少一個固態(tài)減濕器(水蒸氣吸附反應(yīng)器或WAVAR)的戶外組裝。
[0145]特別地，用于提取火星的大氣水的單元(WAVAR)和用于在振蕩溫度下通過吸附-解吸循環(huán)來分離和加壓大氣CO2的單元(TSA)將在戶外操作。雖然這些單元在火星的溫壓條件下操作，但是它們將由合適的結(jié)構(gòu)機械地保護，免受由在具有火星環(huán)境特征的常見的塵暴過程中輸送的隕石和/或固體的撞擊引起的可能的損壞。這樣的結(jié)構(gòu)可以通過特定的技術(shù)(諸如，例如，由國際專利(W02012/014174A2)提出的技術(shù))就地建造。
[0146]步驟(d)涉及通過TSA單元將被加壓的火星CO2強制地吹到球頂?shù)膬?nèi)部，直到達到至少0.8巴的內(nèi)壓力。
[0147]工藝的步驟(e)涉及使球頂內(nèi)部的溫度增加至至少10°C，但是優(yōu)選地在10°C和15°C之間。
[0148]步驟(f)涉及用于機械保護戶外操作的裝備的結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。
[0149]步驟(g)涉及將用于產(chǎn)生肥料的設(shè)備單元容納在球頂?shù)膬?nèi)部。所有單元均被安裝在球頂?shù)膬?nèi)部和外部后，工藝的步驟(h)涉及將火星大氣傳送到所述至少一個WAVAR單元。
[0150]與步驟(h)同時地進行工藝的步驟(i)。后者涉及挖掘火星表土和將其輸送至被稱為MPO(微波披薩爐)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)室內(nèi)操作并允許通過微波從礦物質(zhì)中提取被吸附的和水合的水。在以上步驟過程中獲得的水蒸氣可被冷凝且然后如步驟(j)所提供的，存儲于緩沖罐中，從所述緩沖罐中可以合適的量取出水蒸氣以用于該工藝的以下步驟中。然后被脫水的表土通過傳送帶的系統(tǒng)從容納MPO系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中移除。
[0151]步驟(k)涉及從緩沖罐中取出水流并通過合適的管件將其分成被稱為π ρ π 2和Ji3的三個不同的流。
[0152]如步驟(1)中所示，流π ^皮傳送到電解器，在電解器中通過利用由光伏系統(tǒng)供應(yīng)的電力，進行水的電解以及隨后的氫氣(H2)和氧氣(O2)的產(chǎn)生。
[0153]根據(jù)優(yōu)選的實施方案，水的電解在配備有電極(陰極和陽極)和用于允許離子通過的電解質(zhì)的以直流電電力供能的電解槽中發(fā)生。
[0154]工藝的步驟(m)涉及將如步驟(h)所示產(chǎn)生的火星脫水大氣傳送到用于CO2與存在的其它氣體的分離以及其前后的加壓的系統(tǒng)。優(yōu)選地，這個步驟通過被稱為變溫吸附的工藝來進行(Rapp, D.等人.“Adsorption Compressor for Acquisition and Compressionof Atmospheric C02on Mars，，, 33rd AIAA/ASME/SAE/ASEE, Joint Propulsion Conferenceand Exhibit, (1997))。
[0155]通過使用TSA單元，產(chǎn)生以0.8巴的壓力為特征的純CO2的流。這樣的單元同時產(chǎn)生主要由N2和Ar組成的第二氣體流，該第二氣體流將被用于該工藝的后續(xù)步驟中。然后，如此獲得的0.8巴的純CO2流被用于加壓球頂?shù)膬?nèi)部和/或用于供給電解器，從所述電解器獲得CO和02。然后將所產(chǎn)生的以800°C的溫度和0.8巴的壓力為特征的氧氣存儲于合適的罐中，從所述罐中可取出所述氧氣以供給到ECLSS系統(tǒng)。
[0156]一氧化碳可被存儲`于合適的罐中，從所述罐中可取出一氧化碳以用作可用于進行飛船外活動(extra-vehicular activity)的吉普車(Rovers)和/或其它裝備的推進劑，如步驟(η)中所示的。
[0157]工藝的步驟(O)涉及將由TSA單元產(chǎn)生的主要由N2和Ar組成的第二流連同通過水的電解產(chǎn)生的H2供給到反應(yīng)器中，該反應(yīng)器通過電合成產(chǎn)生氣態(tài)氨(NH3)以及在導(dǎo)致NH3的產(chǎn)生的反應(yīng)步驟過程中保持惰性的Ar的流。所述氨的電合成可根據(jù)由Ru1-Quan ；L.等人“Synthesis of ammonia at atmospheric pressure with Ce0.8M0.202_δ (M=La, Y, Gd, Sm)and their proton conduction at intermediate temperature，，Sol id State1nicsl77 (2006) 73 - 76提出的工藝有利地進行，為了本發(fā)明的目的，氨的電合成涉及使用氬氣代替空氣。因此，獲得以650°C的溫度和0.8-1巴的壓力為特征的氨。
[0158]由于在步驟(O)過程中產(chǎn)生的NH3以良好的熱值(約14360kJ/m3)為特征，特定的等份可被用作在飛船外活動過程中利用的推進劑/燃料。而且，由于NH3還以高熱導(dǎo)率(約245.6mw/cm.K)為特征，產(chǎn)生的氨的另一等份可被用作系統(tǒng)ECLSS中利用的熱交換器中的傳熱流體。與NH3同步，在步驟(ο)過程中獲得氬氣流，所述氬氣流將被用于產(chǎn)生硝酸，如以下步驟(q)中所示的。
[0159]工藝的步驟(ρ)涉及將步驟(O)過程中產(chǎn)生的氨的流通過T形連接器分成兩個獨立的流，即Θ I和Θ 2。
[0160]工藝的步驟(q)涉及將從電合成部分(O)流出的Ar流連同氨的流Θ I (0)和如步驟⑴所示產(chǎn)生的氧氣流以及步驟(k)產(chǎn)生的水流π 2供給到在工藝Ostwald (Ostwald, W.，“Process of manufacturing nitric acid”美國專利 858904 (1907))的基礎(chǔ)上操作的單元。不同于Ostwald的原始工藝，本發(fā)明所涉及的Ar代替過量空氣以降低反應(yīng)的放熱性，這允許獲得硝酸和氬氣，如步驟(q)中所示的。
[0161]步驟(r)涉及將硝酸的流分成被稱為P I和P 2的兩個獨立的流。如在下面更加詳細描述的，然后流P I被用作光生物反應(yīng)器中的大量營養(yǎng)素的源，而流P 2被供給到吸收/中和反應(yīng)器，在其中產(chǎn)生硝酸銨(NH4NO3)。
[0162]在與步驟(r)同時進行的步驟(S)過程中，氨流Θ 2被進一步分成被稱為Θ 2’和Θ2"的兩個流。后者被存儲于合適的罐中且然后被用作燃料，如由步驟(t)所表示的，而流Θ2’被供給到中和反應(yīng)器，根據(jù)步驟(U)從該中和反應(yīng)器獲得硝酸銨。
[0163]至于“生物部分”，從步驟(a’)到步驟(f’)完全類似于已關(guān)于化學(xué)-物理部分描述的相應(yīng)步驟。
[0164]步驟(g’ )涉及將從表土提取的水與化學(xué)-物理部分中產(chǎn)生的合適量的硝酸混合。這樣的操作允許水pH的下降，從而增強在以下步驟α’)(其涉及浸提工藝)中大量營養(yǎng)素和微量營養(yǎng)素從表土向液相的質(zhì)量轉(zhuǎn)移。
[0165]在步驟(h’ )中將在步驟(f’ )過程中產(chǎn)生的被脫水的表土的固體流適當(dāng)?shù)胤殖煞謩e被稱為Tl’和τ2’的兩個流。然后固體流τ2’可被用作用于構(gòu)建用于保護“戶外”操作的單元的特定結(jié)構(gòu)的原料。用于產(chǎn)生建筑材料的工藝可以基于由意大利專利申請第ΜΙ2010Α001412號提出的技術(shù)。
[0166]固體流τ I’必須是很大量的，以足以確保與步驟(g’)中產(chǎn)生的水和硝酸的流l:5wt/wt的重量比。
[0167]步驟(i’)涉及將固體流Tl’連同硝酸的流，連同水流供給到反應(yīng)器中，其中液體和固體接觸以形成漿料，所述漿料被連續(xù)地攪拌，從而允許液相和固相之間的有效接觸。這一步驟的目標是將表土所含有的所有大量營養(yǎng)素(P、s、c)和微量營養(yǎng)素(Fe、Mg、Si，等)轉(zhuǎn)移到液相。這樣，產(chǎn)生“培養(yǎng)肉湯”，當(dāng)所述培養(yǎng)肉湯與基于氮的營養(yǎng)素整合時，其能夠維持無機營養(yǎng)藻類生長現(xiàn)象，如Olsson-Francis, K等人“Use ofcyanobacteria for in-situ resource use in space applications，，Planetary andSpace Science581279 - 1285(2010)中所描述的。用于確保營養(yǎng)素到液相中的有效的質(zhì)量轉(zhuǎn)移的合適的接觸時間是約24小時。
[0168]工藝的步驟(j’)涉及固體/液體分離，其可通過合適的過濾系統(tǒng)(即，過濾板或過濾袋)進行。
[0169]因此，操作步驟(j’)產(chǎn)生兩個獨立的流，第一流是浸提表土，而第二流是液體，所述液體在與化學(xué)物理部分中產(chǎn)生的硝酸混合后將提供用于微藻類的“培養(yǎng)肉湯”。
[0170]與上述步驟同步地，火星大氣的CO2首先被分離且然后通過使用TSA系統(tǒng)被加壓。事實上，CO2代表用于維持藻類生長的另一種重要的大量營養(yǎng)素。
[0171]步驟(m’)(該步驟進行“一次”)涉及接種物(inoculus)的制備，所述接種物被供給到光生物反應(yīng)器中以便其啟動。優(yōu)選地，接種物將由以下藻類菌株組成:粘球藻屬菌株0U_20、瘦鞘絲藻屬菌株0U_13、席藻屬菌株0U_10、擬色球藻屬029 ;鈍頂螺旋藻；細長聚球藻；柱胞魚腥藻；普通小球藻；Nannochloris Eucaryotum或基因工程菌株。
[0172]步驟(η’ )涉及將接種物供給到光生物反應(yīng)器中，以下流同時供給到光生物反應(yīng)器中:從步驟(j’)中產(chǎn)生的浸提流出的液體流，步驟(k’)中獲得的氣態(tài)CO2和在化學(xué)-物理部分中獲得的適量的硝酸。
[0173]在步驟(o’)過程中，優(yōu)選地，CO2通過airlift型液壓氣動泵冒泡進入液體中，所述airlift型液壓氣動泵保證在光生物反應(yīng)器中的合適的液體循環(huán)。而且，優(yōu)選地使用合適的擴散器以便注入小氣泡形式的C02。另一方面，硝酸可被簡單地注入培養(yǎng)肉湯從而允許其富集有硝酸鹽。[0174]以上提及的化合物與藻類接種物混合后，獲得在下文中被稱為“生物漿料”的藻類培養(yǎng)物。這樣的“生物漿料”如果被暴露于合適的光通量，則能夠觸發(fā)并維持光合現(xiàn)象，該光合現(xiàn)象進而允許可被用作食物原料的藻類生物質(zhì)的產(chǎn)生。光通量可通過將培養(yǎng)物直接暴露于在火星表面上入射的太陽輻射來供應(yīng)，或者優(yōu)選地，借助合適的系統(tǒng)諸如光集中器和光導(dǎo)纖維來供應(yīng)。
[0175]因此，光合工藝導(dǎo)致新的微藻類的產(chǎn)生，這導(dǎo)致培養(yǎng)物中的藻類生物質(zhì)的濃度的增加。
[0176]根據(jù)優(yōu)選的實施方案，光生物反應(yīng)器以分批模式(B卩，以半連續(xù)模式)操作。因此，藻類培養(yǎng)在密閉系統(tǒng)中進行，在該密閉系統(tǒng)中，生物漿料被完全再循環(huán)，直到生物質(zhì)濃度達到對應(yīng)于藻類的生長動力學(xué)的穩(wěn)定期的合適的值。
[0177]當(dāng)達到穩(wěn)定期時，合適量的“生物漿料”被取出并經(jīng)受脫水處理以便將生物質(zhì)從用過的“培養(yǎng)肉湯”中分離。然后從光生物反應(yīng)器取出的該量的生物漿料被等量的新鮮“培養(yǎng)肉湯”(沒有微藻類并且如步驟(j’)所示產(chǎn)生的)替代，所述培養(yǎng)肉湯重新供應(yīng)在藻類生長過程中消耗的營養(yǎng)素。
[0178]當(dāng)進行新鮮“培養(yǎng)肉湯”的取出和重新整合的操作步驟時，微藻類生長再次以分批模式重新開始。移除和重新整合的操作應(yīng)該周期性地重復(fù)進行，優(yōu)選地，一天一次，在每天的相同時間，以確保以分批模式生長至少25小時(火星一天的持續(xù)時間)。
[0179]工藝的步驟(q’)涉及將每日提取的“生物漿料”轉(zhuǎn)移至固-液分離的步驟，該固-液分離的步驟通過合適的離心系統(tǒng)進行。在該步驟中進行的固-液分離允許藻類生物質(zhì)與用過的“培養(yǎng)肉湯”分離。
[0180]后者可被再循環(huán)至“生物學(xué)部分”的上端以便降低所需的入口水量，且因此降低從表土提取的水量。另一方面，根據(jù)優(yōu)選的實施方案，用過的培養(yǎng)肉湯可被用于灌溉栽培蔬菜的溫室或水栽培系統(tǒng)。
[0181]通過離心機分離的固體藻類生物質(zhì)可通過微波爐進一步脫水且然后被用作宇航員的食物。
[0182]在步驟(q’)中，通過光合作用產(chǎn)生的氧氣通過合適的脫氣系統(tǒng)與生物漿料分離且然后被轉(zhuǎn)移到ECLSS單元，在該ECLSS單元中，氧氣可被用于船員室的空氣再生。因此，所提出的工藝的步驟(r’)涉及將通過光合作用產(chǎn)生的氧氣存儲在合適的加壓罐中。
[0183]步驟(s’)涉及將到目前為止所描述的工藝的不同產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到以溫室形式操作的球頂中，你們的植物和蔬菜可在該球頂中栽培。優(yōu)選地，步驟(s’)包括以下子步驟:
[0184]s’I)在被用作火星上的溫室的球頂?shù)膬?nèi)部再創(chuàng)造與期望的植物物種的生長相匹配的溫度和壓力條件；
[0185]s’ 2)將按照步驟(j’ )產(chǎn)生的浸提表土傳送到起溫室作用的球頂；[0186]s’3)將子階段(s’2)中的表土與化學(xué)-物理部分的步驟(U)中產(chǎn)生的硝酸銨(NH4NO3)混合以確保基于氮的營養(yǎng)素適當(dāng)?shù)財z取到表土中；
[0187]s’ 4)將表土和硝酸銨與合適量的腐殖酸和富里酸混合；
[0188]S，5)將來自宇航員的房間的合適量的有機廢物與表土混合以增加土壤的有機質(zhì)
含量;
[0189]s’6)繼續(xù)進行植物物種的種植；
[0190]s’ 7)通過使用來自離心機的用過的溶液來灌溉農(nóng)作物；以及
[0191]s’ 8)提供光合作用所需的光通量。
[0192]在另一個方面中，本發(fā)明涉及用于實施本發(fā)明的工藝的材料和裝置的成套工具，該成套工具包括被稱為“化學(xué)物理”組和“生物學(xué)”組的兩組部件。成套工具的“化學(xué)物理”組包括:
[0193]-至少一個用于容納該工藝的化學(xué)-物理部分中使用的各種單元的網(wǎng)格球頂；
[0194]-至少一個光伏板，其用于產(chǎn)生能量以用于加熱所述至少一個球頂內(nèi)部的大氣并且用于運行以下詳細說明的設(shè)備單元；
[0195]-至少一個單元TSA，其由至少一個沸石吸附床和具有確保與火星的自然環(huán)境的熱交換以允許在可變溫度下進行吸附-解吸循環(huán)的功能的至少一個散熱器組成，用于分離CO2與火星大氣氣體的其 它成分(主要是N2和Ar)并且將被分離的CO2加壓，以及將相同壓力的CO2吹入和輸入到所述至少一個球頂中；
[0196]-至少一個單元WAVAR，其基于使用沸石和吸附工藝，然后利用微波解吸，用于提取存在于火星大氣中的水；
[0197]-至少一個用于從火星的大氣提取的水的存儲罐；
[0198]-至少一個挖掘機和至少一個傳送帶，其用于將火星表土挖掘和傳送到用于處理該火星表土的單元；
[0199]-至少一個單元ΜΡ0，其包括至少一個磁控管，用于通過使用微波加熱從火星表土提取被吸附的和水合的水；
[0200]-至少一個管連接器，其具有用于將從表土提取的水分成被稱為π1、π 2和π 3的三個流的三個輸出端；
[0201]-至少一個用于電解流πI的水和產(chǎn)生氫氣和氧氣的電解器；
[0202]-至少一個用于電解CO2和獲得被分離的氧氣以及CO和CO2的混合物的電解器；
[0203]-至少一個由至少一個具有固體電解質(zhì)的電合成反應(yīng)器(固體氧化物燃料電池)組成的單元，用于從在單元TSA中產(chǎn)生的具有高含量的N2和Ar的氣體和通過水的電解獲得的氫氣來產(chǎn)生氨；
[0204]-至少一個由連接器“Τ”組成的、用于將所產(chǎn)生的氨的流分成被稱為ΘI和Θ 2的兩個流的單元；
[0205]-至少一個單元,其用于通過Ostwald工藝由Ar、NH3>H2O> O2產(chǎn)生硝酸(HNO3),所述單元包括至少一個催化反應(yīng)器、至少一個吸收塔和至少一個用于汽提“NOx”的系統(tǒng)；
[0206]-至少一個由連接器“T”組成的、用于將所產(chǎn)生的硝酸(HNO3)的流分成被稱為PI和P 2的兩個流的單元；
[0207]-至少一個由連接器“T”組成的、用于將流Θ2進一步分成被稱為Θ2’和Θ2"的兩個流的單元；
[0208]-至少一個用于所產(chǎn)生的NH3的存儲罐；以及
[0209]-至少一個氣-液反應(yīng)器，其連續(xù)地操作以用于由HNO3產(chǎn)生NH3和ΝΗ4Ν03。
[0210]成套工具的所述“生物學(xué)”組包括:
[0211]-至少一個用于容納所述工藝的生物學(xué)部分中使用的各種單元的網(wǎng)格球頂；
[0212]-至少一個光伏板，其用于產(chǎn)生能量以用于加熱所述至少一個球頂內(nèi)部的大氣并且用于運行以下詳細說明的設(shè)備單元；
[0213]-至少一個單元TSA，其由至少一個沸石吸附床和具有確保與火星的自然環(huán)境的熱交換以允許在可變溫度下進行吸附-解吸循環(huán)的功能的至少一個散熱器組成，用于分離CO2與火星大氣氣體的其它成分(主要是N2和Ar)并且將被分離的CO2加壓，以及將相同壓力的CO2吹入和輸入到所述至少一個球頂中；
[0214]-至少一個挖掘機和至少一個傳送帶，其用于將火星表土挖掘和傳送到用于處理該火星表土的單元；
[0215]-至少一個單元ΜΡ0，其包括至少一個磁控管，用于通過使用微波加熱從火星表土提取被吸附的和水合的水；
[0216]-至少一個用于將從表土提取的水與化學(xué)-物理部分中產(chǎn)生的合適量的硝酸混合的單元；
[0217]-至少一個由雙向傳送帶組成的單元，用于將被脫水的表土分成被稱為τ/和τ2’的兩個固體流；
[0218]-至少一個反應(yīng)器，其連續(xù)操作以便用水和硝酸的混合物浸提表土的固體流τ i'；
[0219]-至少一個由“板式過濾器”組成的單元，用于對從浸提反應(yīng)器中出來的漿料進行固體/液體分離，并且同時產(chǎn)生“培養(yǎng)肉湯”和“浸提表土”的流；
[0220]-至少一個用于存儲通過先前的單元獲得的由于與CO2分離而產(chǎn)生的基于N2和Ar的氣體的罐；
[0221]-以下藻類菌株中的至少一種:粘球藻屬菌株0U_20、瘦鞘絲藻屬菌株0U_13、席藻屬菌株0U_10、擬色球藻屬029 ;鈍頂螺旋藻、細長聚球藻、柱胞魚腥藻；普通小球藻；Nannochloris Eucaryotum或基因修飾的菌株；
[0222]-至少一個用于制備藻類菌株的接種物的單元；
[0223]-至少一個光生物反應(yīng)器，其用于產(chǎn)生藻類生物質(zhì)，其中培養(yǎng)肉湯使藻類接種物與硝酸和被稱為Θ 2的具有高含量的CO2的氣流接觸；
[0224]-至少一個液壓氣動泵型“airlift”，其用于液相中的CO2的吸收，在傳送到光生物反應(yīng)器中的各組分之間的適當(dāng)程度的混合，以及“生物漿料”的循環(huán)；
[0225]-至少一個用于將光生物反應(yīng)器中產(chǎn)生的藻類生物質(zhì)和氧氣從用過的培養(yǎng)肉湯中分離的單元；
[0226]-至少一個用于存儲由光生物反應(yīng)器產(chǎn)生的氧氣的罐；
[0227]-至少一個用 于使藻類生物質(zhì)脫水的單元，以及
[0228]-至少一個將被用作用于使可食用植物生長的溫室的網(wǎng)格球頂。
[0229]就成套工具的“化學(xué)-物理”組而言，在至少一個網(wǎng)格球頂中容納物理化學(xué)部分的不同的設(shè)備單元，所述設(shè)備單元必須在至少10°c的溫度和至少0.8巴的壓力下操作。優(yōu)選地，球頂由具有圓截面的鋁梁的框架構(gòu)成。優(yōu)選地，網(wǎng)格球頂?shù)母采w物(coverage)由具有0.2kg/m2的表面密度以及高機械阻力和熱阻力的ETFE(乙烯四氟乙烯)的片構(gòu)成。
[0230]優(yōu)選地，該至少一個光伏系統(tǒng)產(chǎn)生對所發(fā)明的工藝的所有操作步驟(包括加熱球頂?shù)膬?nèi)部大氣的步驟)提供動力所需的能量。根據(jù)電力的觀點，所述光伏系統(tǒng)優(yōu)選地被分成獨立的部分(陣列)，它們中的每個具有約40m2的表面，以及將太陽輻射轉(zhuǎn)化成電力的約11%的收率。
[0231]變溫吸附(其在可變溫度下在沸石上使用吸附/解吸循環(huán))的使用是為了根據(jù)先前對TSA單元所描述的原理在球頂內(nèi)分離、吹和壓縮CO2而提出的。用于從火星大氣提取水的合適的單元可以是由Williams, J.D.等人“Design of a water vaporadsorption reactor for Martian In Situ Resource Utilization’’Journal of BritishInterplanetary Society, 48, 347-354 (1995)描述的單兀。
[0232]至少一個挖掘機和至少一個帶式傳送機被用于挖掘火星表土和將其輸送至處理單元并且特別是輸送至被稱為MPO單元的水提取系統(tǒng)。就挖掘機而言，合適的類型(typology)可以是 Caruso, J.J.等人，“Cratos:A Simple Low Power Excavation andHauling System for Lunar Oxygen Production and General Excavation Tasks，，(2008)所描述的那種，其由通過光伏充電電池組或獨立地借助容納在相同運載工具(vehicle)上的小的光伏系統(tǒng)提供動力的運載工具組成。
[0233]封閉的帶式傳送機會將表土轉(zhuǎn)移至微波加熱系統(tǒng)，在微波加熱系統(tǒng)中，被吸附的和水合的水將被從表土的礦物質(zhì)中提取出來。因此，傳送帶將在用于至少MPO單元內(nèi)傳送表土以便水的提取。被提取 的水將通過四通管件分成被稱為η 1、η 2和π 3的三個獨立的流。
[0234]然后，水流I被轉(zhuǎn)移到電解單元，所述電解單元由用于質(zhì)子交換的固體電解質(zhì)、均由多孔材料制成的陰極和陽極組成，在所述多孔材料上布置有即使在低溫下操作也保證良好收率的催化劑。
[0235]與這些操作平行，CO2分離和加壓由從WAVAR單元流出的火星脫水大氣起始進行。
[0236]這樣的操作在工藝的步驟(m)過程中在可變溫度下通過用于CO2的吸附/解吸的至少一個單元進行。
[0237]該純的且被加壓的CO2被用于通過由本發(fā)明提供的用于CO2電解的至少一個單元產(chǎn)生O2和CO。為了這個目標，提供了使用至少一個電解器，所述電解器由固體電解質(zhì)、均由多孔材料制成的陰極和陽極組成，在所述多孔材料上布置有即使在低溫下操作也保證良好收率的催化劑。
[0238]用于氨的電合成的上述至少一個電池由用于離子交換的固體氧化物電解質(zhì)、均由多孔材料制成的陰極和陽極組成，在所述多孔材料上布置有即使在低溫下操作也保證良好收率的催化劑。
[0239]應(yīng)規(guī)定，N2和Ar均被供給到電合成電池。
[0240]然而，雖然氮氣參與關(guān)于階段(O)的這些反應(yīng)，但是氬氣基本上保持惰性。由于這個原因，來自這一單元的輸出物(output)將由氨流和氬氣流組成。后者可在通過氨燃燒產(chǎn)生硝酸的部分中適當(dāng)?shù)乇挥米飨♂寗?。所產(chǎn)生的氨流而是通過合適的T型管連接器分成被稱為θ I和θ 2的兩個獨立的流。
[0241]工藝的步驟(q)涉及將氨流Θ 1、連同在步驟(1)中產(chǎn)生的氬氣和氧氣的整個流以及在步驟(k)中獲得的水流π 2轉(zhuǎn)移到在用于產(chǎn)生硝酸的Ostwald工藝的基礎(chǔ)上操作的單元。這樣的工藝是基于在步驟(q)所描述的操作，并且利用在其中進行氨燃燒的催化反應(yīng)器、在其中HNO3由N2O4起始產(chǎn)生的吸收塔以及在其中NO被汽提并且酸被濃縮的系統(tǒng)。因此，改進的Ostwald工藝(其從能量角度來說是自持的)產(chǎn)生被用于工藝的后續(xù)步驟的硝酸、和主要由氬氣組成的氣流。硝酸可被用作硝酸鹽的源以確保藻類在光生物反應(yīng)器中的生長并且用于產(chǎn)生硝酸銨，所述硝酸銨被用作用于培養(yǎng)可食用植物物種(蔬菜)的肥料。為了這一目的，所產(chǎn)生的硝酸的流通過合適的T型管連接器被適當(dāng)?shù)胤殖杀环Q為01和92的兩個獨立的流。通過利用類似的管連接器，在工藝的步驟(P)中產(chǎn)生的氨流Θ2被進一步分成被稱為Θ2’和Θ2"的兩個獨立的流。
[0242]本工藝的步驟(U)涉及將硝酸流P I連同氨流Θ 2"供給到用于產(chǎn)生硝酸銨的反應(yīng)器中。用于產(chǎn)生硝酸銨的至少一個反應(yīng)器必須是氣-液類型。通過操作反應(yīng)器，結(jié)晶的硝酸銨可以以白色粉末形式產(chǎn)生，該結(jié)晶的硝酸銨可被用作肥料。
[0243]就成套工具的“生物學(xué)”組而言，優(yōu)選地，至少一個漿料反應(yīng)器應(yīng)被攪動并且涂覆有抗酸涂料。優(yōu)選地，反應(yīng)器大小必須使得能夠提供至少24小時的滯留時間。從反應(yīng)器流出的漿料被轉(zhuǎn)移到步驟(j’)，在所述步驟(j’)中發(fā)生固體/液體分離。為了這一目的，本發(fā)明的工藝涉及使用至少一個過濾器來分離漿料的固相與液相。
[0244]用于在可變溫度下進行吸附-解吸循環(huán)的單元在結(jié)構(gòu)和功能特征上是與化學(xué)-物理部分中使用的那些單元類似的。
[0245]雖然不同的類型的光生物反應(yīng)器可被使用，但是具有以這樣的方式被布置以形成螺旋體的管的管狀光生物反應(yīng)器(被稱為B10C0IL)應(yīng)該是優(yōu)選的。管應(yīng)該由PET (聚對苯二甲酸乙二醇酯)構(gòu)成，因為它`們必須是相對于光合有效輻射是透明的。優(yōu)選地，管的直徑必須小于0.2m。很可能，光生物反應(yīng)器應(yīng)該以分批模式利用總體再循環(huán)操作。有利地，為了避免損壞和抑制藻類細胞，氧氣25水平優(yōu)選地不應(yīng)該超過空氣飽和值的約400%。由于在光生物反應(yīng)器的管內(nèi)通過光合作用產(chǎn)生的氧氣不能被除去，因此有利地，藻類培養(yǎng)物被周期性地送到脫氣設(shè)備以便汽提藻類培養(yǎng)物中的溶解的氧氣。被提取的氧氣可因此被轉(zhuǎn)移到ECLSS部分，在該ECLSS部分中進行船員室的空氣再生。CO2可沿著管被注入以特定的間隔布置的合適的點。這允許有利地阻止由于二氧化碳消耗和過高的PH值而導(dǎo)致的藻類饑餓。
[0246]對促進光合作用必要的光通量可通過將光生物反應(yīng)器直接暴露于在火星表面上入射的太陽輻射來供應(yīng)，或者優(yōu)選地，借助合適的光收集系統(tǒng)諸如光集中器和光導(dǎo)纖維來供應(yīng)，所述光收集系統(tǒng)將光轉(zhuǎn)移到容納光生物反應(yīng)器的球頂。
[0247]根據(jù)光生物反應(yīng)器的分批操作模式，合適量的“生物漿料”被取出并且被如步驟(j’)中所示獲得的等量的新鮮“培養(yǎng)肉湯”替換。然后，使被取出的量的“生物漿料”經(jīng)受固體/液體分離。優(yōu)選地，用于將藻類生物質(zhì)與用過的“培養(yǎng)肉湯”分離的單元通過至少一個離心機進行。
[0248]所產(chǎn)生的藻類生物質(zhì)可通過合適的微波爐進一步脫水以然后被用作宇航員的食物。
[0249]從離心機流出的用過的“培養(yǎng)肉湯”(以營養(yǎng)素(也是基于氮的營養(yǎng)素)的殘余濃度為特征)可被用于已經(jīng)肥沃了的火星土壤的灌溉以便在火星溫室中培養(yǎng)蔬菜。
[0250]為了闡明且非限制性的目的，本文在下面提供了本發(fā)明的加工實施例。
實施例
[0251]根據(jù)本發(fā)明的通過就地使用可利用資源來產(chǎn)生有用材料以維持在火星土壤中的載人太空任務(wù)的設(shè)備的實施和加工方案
[0252]首先，考慮探索行星火星的全體船員的生理健康。為了達到這一目的，每日由宇航員提供表1中所報告的水、氧氣和食物的最小量。
[0253]表1
【權(quán)利要求】
1.通過就地使用可用資源在火星土壤上產(chǎn)生氧氣、水、一氧化碳、氨、氮肥和可食用生物質(zhì)的工藝，所述工藝包括兩個部分，即，用于產(chǎn)生氧氣、水、一氧化碳、氨和基于氮的肥料的化學(xué)-物理部分，和用于產(chǎn)生可食用生物質(zhì)的生物學(xué)部分，所述化學(xué)-物理部分包括以下步驟: a)在火星表面上組裝至少一個網(wǎng)格球頂以容納室內(nèi)操作的設(shè)備單元； b)戶外組裝光伏板以產(chǎn)生用于在所述至少一個球頂內(nèi)部加熱和用于對所述設(shè)備單元的設(shè)備提供動力所需的能量； c)戶外組裝可變溫度吸附單元(變溫吸附器或TSA)和固態(tài)減濕器(水蒸氣吸附反應(yīng)器或 WAVAR)； d)通過TSA將被加壓的火星CO2吹到所述至少一個球頂中，直到達到不小于0.8巴的內(nèi)壓力； e)通過由所述光伏板提供動力的加熱系統(tǒng)加熱所述至少一個球頂?shù)膬?nèi)部，直到達到不小于10°C的溫度； f)組裝用于機械保護戶外操作的設(shè)備單元的結(jié)構(gòu)； g)將用于產(chǎn)生肥料的設(shè)備單元放置到所述至少一個球頂?shù)膬?nèi)部； h)將由火星大氣組成的氣體傳送到戶外操作的所述WAVAR單元，用于大氣水的提取； i)挖掘并傳送火星表土至被稱為MPO(微波披薩爐)的室內(nèi)系統(tǒng)，用于通過微波來提取被吸附的水和礦物質(zhì)的水合水； j)將從火星大氣提取的水傳送至存儲罐； k)使從表土提取的水分成被稱為π 1、Ji 2和3的三個流； I)將水流η I傳送到室內(nèi)操作的電解器以產(chǎn)生H2和O2的兩個不同的流；m)基于在可變溫度下在沸石材料上的吸附-解吸的循環(huán)，將從所述單元WAVAR出來的脫水大氣傳送到分離和加壓CO2的所述系統(tǒng)TSA，同時產(chǎn)生基本上由N2和Ar組成的第二氣流； η)將被分離和加壓的CO2傳送到電解器，用于產(chǎn)生O2和由CO和CO2的混合物組成的、將被存儲和用作用于艙外活動的推進劑的氣流； ο)將基本上由N2和Ar組成的從所述TSA中分離的第二流連同由水的電解產(chǎn)生的H2傳送到反應(yīng)器中，所述反應(yīng)器允許通過電合成產(chǎn)生氣態(tài)氨(NH3)，同時在導(dǎo)致NH3的產(chǎn)生的反應(yīng)過程中產(chǎn)生是惰性的Ar的流； P)將所產(chǎn)生的NH3的流分成被稱為Θ I和Θ 2的兩個流； q)將來自電合成步驟(O)的Ar的流連同NH3的流Θ I (p)、按照步驟⑴產(chǎn)生的氧氣、按照步驟(k)產(chǎn)生的水流η 2傳送到用于產(chǎn)生硝酸(HNO3)和主要由Ar組成的廢氣的單元，該單元在Ostwald工藝的基礎(chǔ)上操作； r)將所產(chǎn)生的HNO3的流分成被稱為P I和P 2的兩個流； s)將按照步驟(P)產(chǎn)生的NH3的流Θ 2進一步分成被稱為Θ 2’和Θ 2"的兩個流；t)將流Θ2’傳送到存儲罐，從所述存儲罐中取出將被用作用于艙外活動的推進劑或用作水栽培的肥料的NH3 ； u)將HNO3的流P I連同按照步驟(s)產(chǎn)生的NH3的流Θ 2"傳送到用于吸收和中和的反應(yīng)器中，所述反應(yīng)器 允許產(chǎn)生將被用作肥料的硝酸銨(NH4NO3);并且所述生物學(xué)部分包括以下步驟: a’)在火星表面上組裝至少一個網(wǎng)格球頂以容納室內(nèi)操作的設(shè)備單元；b’)戶外組裝光伏板以產(chǎn)生用于在所述至少一個球頂內(nèi)部加熱和用于對所述設(shè)備單元的設(shè)備提供動力所需的能量； c’)戶外組裝可變溫度吸附單元(變溫吸附器或TSA)和固態(tài)減濕器(水蒸氣吸附反應(yīng)器或 WAVAR)； d’)通過TSA將被加壓的火星CO2吹到所述至少一個球頂中，直到達到不小于0.8巴的內(nèi)壓力； e’)通過由所述光伏板提供動力的加熱系統(tǒng)加熱所述至少一個球頂?shù)膬?nèi)部，直到達到不小于10°C的溫度； f’)挖掘并傳送火星表土至被稱為MPO(微波披薩爐)的室內(nèi)系統(tǒng)，用于通過微波來提取被吸附的水和礦物質(zhì)的水合水； g’)將產(chǎn)生的水與在所述化學(xué)-物理部分中產(chǎn)生的合適量的硝酸混合； h’)將按照步驟(f’)產(chǎn)生的被脫水的表土分成被稱為τ/和τ2’的兩個不同的固體流； I’)將步驟(g’)中產(chǎn)生的與硝酸混合的水連同表土的所述固體流τ/傳送到浸提反應(yīng)器中，所述浸提反應(yīng)器用于將微量營養(yǎng)素和大量營養(yǎng)素從固相轉(zhuǎn)移到液相； j’ )將來自所述浸提反應(yīng)器的固體和液體的混合物(漿料)傳送到過濾系統(tǒng)，所述過濾系統(tǒng)用于從富含微量營養(yǎng)素和大量營養(yǎng)素的被稱為“培養(yǎng)肉湯”的所述液體中分離被稱為“浸提表土”的所述固體；` k’ )基于在可變溫度下在沸石材料上的吸附-解吸的循環(huán)，將火星大氣傳送到分離和加壓CO2的所述單元TSA，同時產(chǎn)生基本上由N2和Ar組成的第二氣流； I’)將按照步驟(k’)產(chǎn)生的N2和Ar的所述第二氣流存儲于合適的容器中，所述第二氣流可從所述容器中取出以被用作在取樣步驟過程中使用的分析裝置中的緩沖氣體，所述取樣步驟是在任務(wù)期間為了科學(xué)目的而進行的； m’)制備從地球帶來的合適的藻類菌株的接種物； η)將按照步驟(j’)產(chǎn)生的“培養(yǎng)肉湯”，連同按照步驟(k’)產(chǎn)生的被加壓的CO2流，連同在所述化學(xué)-物理部分中產(chǎn)生的HNO3，和按照步驟(m’)產(chǎn)生的接種物傳送到至少一個光生物反應(yīng)器中以被用于促進藻類生長； o’)在液相中通過基于液壓氣動泵(“airlift”)的系統(tǒng)進行CO2吸收，所述液壓氣動泵允許傳送到所述光生物反應(yīng)器中的組分的適當(dāng)混合，和被稱為“生物漿料”的藻類和培養(yǎng)基的混合物的充分循環(huán)； P’)將所述至少一個光生物反應(yīng)器暴露于能夠促進光合作用的光源，從而導(dǎo)致新的光合藻類生物質(zhì)和氧氣的形成； q)通過離心將所述藻類生物質(zhì)與所述培養(yǎng)肉湯分離并且通過脫氣將氧氣分離；r )將被傳送到ECLSS部分(環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng))的氧氣存儲于被密封和加壓的罐中，并且進一步使藻類生物質(zhì)脫水以使其用作食物或飲食補充劑； S，)將步驟q’)中用過的所述培養(yǎng)肉湯連同所述化學(xué)-物理部分中產(chǎn)生的硝酸銨(NH4NO3)、按照步驟(j’)產(chǎn)生的所述浸提表土，以及從地球帶來的適當(dāng)量的腐殖酸和富里酸，和人的代謝廢物轉(zhuǎn)移到所述球頂中，食物的種植物在所述球頂中生長。
2.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中在步驟(g’)中，水和硝酸的比率是1:5。
3.如權(quán)利要求1或2所述的工藝，其中在步驟(i’)中，液相和固相之間的接觸時間是大約24小時。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的工藝，其中在步驟(ρ’)中，所述光源是火星表面上的入射的太陽輻射，或者是太陽能集中器和光導(dǎo)纖維的系統(tǒng)。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的工藝，其中所述步驟(s’)包括以下子步驟: s’ I)在被用作火星上的溫室的所述球頂?shù)膬?nèi)部再創(chuàng)造與期望的植物物種的生長相匹配的溫度和壓力條件； s’ 2)將按照步驟(j’)產(chǎn)生的所述浸提表土傳送到起溫室作用的所述球頂；s’ 3)將子階段(s’ 2)中的所述表土與所述化學(xué)-物理部分的步驟(U)中產(chǎn)生的硝酸銨(NH4NO3)混合以確保基于氮的營養(yǎng)素適當(dāng)?shù)財z取到所述表土中； s’4)將所述表土和所述硝酸銨與合適量的腐殖酸和富里酸混合；s’ 5)將來自宇航員的房間的合適量的有機廢物與所述表土混合以增加所述土壤的有機質(zhì)含量； s’6)繼續(xù)進行植物物種的種植； s’ 7)通過使用來自離心機的用過的溶液來灌溉農(nóng)作物；以及 s’8)提供光合作用所 需的光通量。
6.用于實施權(quán)利要求1所述的工藝的材料和裝置的成套工具，包括“化學(xué)-物理”組的方面和“生物學(xué)”組的方面，所述“化學(xué)-物理”組包括: -至少一個用于容納所述工藝的所述化學(xué)-物理部分中使用的各種單元的網(wǎng)格球頂；-至少一個光伏板，其用于產(chǎn)生能量以用于加熱所述至少一個球頂內(nèi)部的大氣并且用于運行以下詳細說明的設(shè)備單元； -至少一個單元TSA，其由至少一個沸石吸附床和具有確保與火星的自然環(huán)境的熱交換以允許在可變溫度下進行吸附-解吸循環(huán)的功能的至少一個散熱器組成，用于分離CO2與火星大氣氣體的其它成分(主要是N2和Ar)并且將被分離的CO2加壓，以及將相同壓力的CO2吹入和輸入到所述至少一個球頂中； -至少一個單元WAVAR，其基于使用沸石和吸附工藝，然后利用微波解吸，用于提取存在于所述火星大氣中的水； -至少一個用于從火星的大氣提取的水的存儲罐； -至少一個挖掘機和至少一個傳送帶，其用于將所述火星表土挖掘和傳送到用于處理所述火星表土的單元； -至少一個單元ΜΡ0，其包括至少一個磁控管，用于通過使用微波加熱從所述火星表土提取被吸附的和水合的水； -至少一個管連接器，其具有用于將從所述表土提取的水分成被稱為π 1、π 2和π 3的三個流的三個輸出端； -至少一個用于電解流πI的水和產(chǎn)生氫氣和氧氣的電解器； -至少一個用于電解CO2和獲得被分離的氧氣以及CO和CO2的混合物的電解器； -至少一個由至少一個具有固體電解質(zhì)的電合成反應(yīng)器(固體氧化物燃料電池)組成的單元，用于從在所述單元TSA中產(chǎn)生的具有高含量的N2和Ar的氣體和通過水的電解獲得的氫氣來產(chǎn)生氨； -至少一個由連接器“T”組成的、用于將所產(chǎn)生的氨的流分成被稱為Θ1和Θ2的兩個流的單元； -至少一個用于通過Ostwald工藝由Ar、NH3> H2O> O2產(chǎn)生硝酸(HNO3)的單元,所述單元包括至少一個催化反應(yīng)器、至少一個吸收塔和至少一個用于汽提“NOx”的系統(tǒng)； -至少一個由連接器“T”組成的、用于將所產(chǎn)生的硝酸(HNO3)的流分成被稱為P I和P2的兩個流的單元； -至少一個由連接器“T”組成的、用于將流Θ 2進一步分成被稱為Θ2’和Θ2"的兩個流的單元； -至少一個用于所產(chǎn)生的NH3的存儲罐；以及 -至少一個氣-液反應(yīng)器，其連續(xù)地操作以用于由HNO3產(chǎn)生NH3和NH4NO3,并且 所述“生物學(xué)”組包括: -至少一個用于容納所述工藝的所述生物學(xué)部分中使用的各種單元的網(wǎng)格球頂； -至少一個光伏板，其用于產(chǎn)生能量以用于加熱所述至少一個球頂內(nèi)部的大氣并且用于運行以下詳細說明的設(shè)備單元； -至少一個單元TSA，其由至少一個沸石吸附床和具有確保與火星的自然環(huán)境的熱交換以允許在可變溫度下進行吸附-解吸循環(huán)的功能的至少一個散熱器組成，用于分離CO2與火星大氣氣體的其它成分(主要是N2和Ar)并且將被分離的CO2加壓，以及將相同壓力的CO2吹入和輸入到所述至少一個球頂`中； -至少一個挖掘機和至少一個傳送帶，其用于將所述火星表土挖掘和傳送到用于處理所述火星表土的單元； -至少一個單元ΜΡ0，其包括至少一個磁控管，用于通過使用微波加熱從所述火星表土提取被吸附的和水合的水； -至少一個用于將從所述表土提取的水與所述化學(xué)-物理部分中產(chǎn)生的合適量的硝酸混合的單元； -至少一個由雙向傳送帶組成的單元，用于將被脫水的表土分成被稱為τ/和τ2’的兩個固體流； -至少一個反應(yīng)器，其連續(xù)操作以便用水和硝酸的混合物浸提表土的固體流τ/ ；-至少一個由“板式過濾器”組成的單元，用于對從浸提反應(yīng)器中出來的漿料進行固體/液體分離，并且同時產(chǎn)生“培養(yǎng)肉湯”和“浸提表土”的流； -至少一個用于存儲通過先前的單元獲得的由于與CO2分離而產(chǎn)生的基于N2和Ar的氣體的罐； -以下藻類菌株中的至少一種:粘球藻屬(Gloeocapsa)菌株0U_20、瘦鞘絲藻屬(Leptolyngbya)菌株0U_13、席藻屬(Phormidium)菌株0U_10、擬色球藻屬(Chroococcidiopsis) 029 ;純頂螺旋藻(Arthrospira platensis)、細長聚球藻(Synechococcus elongatus)、柱胞魚渥藻(Anabaena cylindrical);普通小球藻(Chlorella vulgaris) ；Nannochloris Eucaryotum 或基因修飾的菌株； -至少一個用于制備藻類菌株的接種物的單元；-至少一個光生物反應(yīng)器，其用于產(chǎn)生藻類生物質(zhì)，其中所述培養(yǎng)肉湯使藻類接種物與硝酸和被稱為Θ 2的具有高含量的CO2的氣流接觸； -至少一個液壓氣動泵型“airlift”，其用于液相中的CO2的吸收，在傳送到所述光生物反應(yīng)器中的各組分之間的適當(dāng)程度的混合，以及“生物漿料”的循環(huán)； -至少一個用于將所述光生物反應(yīng)器中產(chǎn)生的藻類生物質(zhì)和氧氣從用過的培養(yǎng)肉湯中分離的單元； -至少一個用于存儲由所述光生物反應(yīng)器產(chǎn)生的氧氣的罐； -至少一個用于使藻類生物質(zhì)脫水的單元，以及 -至少一個將被用作用于使可食用植物生長的溫室的網(wǎng)格球頂。
7.如權(quán)利要求6所述的成套工具，其中所述至少一個光生物反應(yīng)器是補料分批類型的。
8.如權(quán)利要求6或7所述的成套工具，其中在所述至少一個光生物反應(yīng)器中，氧氣水平低于水飽和度的對 應(yīng)值的400%。
【文檔編號】A01G15/00GK103826438SQ201280043264
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月28日
【發(fā)明者】賈科莫·曹, 亞歷山德羅·孔卡斯, 吉安路卡·科里亞斯, 羅伯塔·利凱里, 羅伯托·奧魯, 馬西莫·皮蘇 申請人:卡利亞里大學(xué), 意大利航天局, 撒丁島高等開發(fā)與研究中心責(zé)任有限公司