基于微生物电化学的火星原位推进剂制备方法及应用与流程

本发明涉及火星原位资源利用技术，具体地，涉及基于微生物电化学的火星原位推进剂制备方法及应用。

背景技术：

1、2020年，我国发射火星探测器“天问一号”，并且已于2021年5月15日成功着陆，“祝融号”火星车也开展了一系列火星表面巡视探测工作，一步实现“绕、落、巡”的工程目标，后续还将进一步开展关于火星取样返回的规划论证工作。在同一发射窗口，美国的“毅力号”和阿联酋的“希望号”也先后成功发射，掀起了21世纪以来人类探索火星的又一个高潮。自nasa公布artemis计划路线图后，美国关于载人登火的远景目标也已经浮出水面。日趋成熟的商业航天对此更是摩拳擦掌，spacex公司宣称将在2026年进行首次载人火星飞行，在2050年前建成能够自我维持的人类火星基地。火星的探测与开发已经成为世界各国争夺的焦点，也是我国“航天强国”建设的重大挑战。

2、在火箭推进剂无毒化的发展趋势下，液氧甲烷已经成为可重复使用空间飞行器发动机的第一选择。相比于液氧液氢发动机，液态甲烷的密度约为其6倍，储存温度更高(112k)与液氧(90k)相近，维护和使用成本更低；而相比于液氧煤油发动机，液氧甲烷发动机比冲更高，燃烧室积碳少，对推力室进行再生冷却时无结焦，回收后可将剩余推进剂直接蒸发无需特殊处理，因此特别适合长寿命可重复使用发动机。近年来，美国、俄罗斯、欧洲、日本均对液氧甲烷发动机开展了大量研究，并计划将其应用于适合火星探测的下一代可重复使用发动机。

3、然而，目前火星取样返回及载人探测任务的最大制约因素在于推进剂携带量，单纯通过提高运载能力增加推进剂携带量并不现实，每多运送一千克推进剂到火星，地面发射质量就要增加数百千克，多次发射实现推进剂补给则成本过于高昂。地外星体原位资源利用技术(in-situ resource utilization，isru)被认为是最有可能打破这一瓶颈问题的关键技术。据估算，仅宇航员返回火星轨道用的火星上升飞行器就需要29.3吨的氧气，相应则需要10吨以上的甲烷作为燃料。因此，利用火星大气中丰富的co2资源与近地表盐水资源联产甲烷和氧气用作火星飞行器推进剂，对于我国开展载人火星探测具有重要意义。

4、火星大气主要包括95.32％的co2、2.7％的n2、1.6％的ar等气体。丰富的co2可作为火星上获取碳元素及其化合物的原料。经探测，火星上确实存在水资源，其存在形式包括两极地区的水冰、地壳深层的水冰和地壳中的矿物水化物。2015年nasa宣布在火星上发现液态盐水资源的存在证据。2018年欧洲航天局也通过火星快车探测器证实了火星南极地区冰层和尘埃层下存在液态湖泊。如果对这些水资源进行有效开发利用，便能够提供足够的氢和氧。

5、2016年，美国麻省理工大学的meyen等人提出了一种火星氧气原位资源利用实验(moxie)模块，采用固态氧化物电解的方式从co2中生产氧气。nasa也在2020年的火星探测项目中，为“毅力号”火星探测车装备了该模块，作为未来火星氧气生产工厂1％规模的验证模型。然而，该技术路线缺乏燃料合成过程，还需要通过飞行器从地球携带大量燃料。根据nasa对火星表面isru技术对于飞行器减重程度和经济性的评估，采用isru只生产氧气对火星登陆器的减重程度为73％；而对应于同时生产甲烷和氧气的火星返回任务，减重幅度能够进一步增大为94％，具有更优的经济性。

6、目前国内没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于微生物电化学的火星原位推进剂制备方法及应用。

2、本发明的目的可以通过以下方案来实现：

3、第一方面，本发明提供一种基于微生物电化学的火星原位推进剂制备方法，包括以下步骤：

4、s1、将火星原位水资源加入微生物电化学反应器的阳极腔中，产生氧气、质子和电子；

5、s2、将火星原位co2资源通入微生物电化学反应器的阴极腔中，在电阴极上附着产甲烷微生物，产生甲烷；

6、s3、分别从微生物电化学反应器的阳极腔和阴极腔中收集并提纯氧气和甲烷，得到火星原位推进剂。

7、作为本发明的一个实施方案，在步骤s1中，火星原位水资源为火星原位资源中可供利用的水资源。

8、作为本发明的一个实施方案，在步骤s1中，所述火星原位资源包括表层颗粒状土壤、表层矿物、液态水、水冰中的至少一种。

9、作为本发明的一个实施方案，在步骤s1中，阳极腔中的电阳极催化剂为析氧反应催化剂。水在电阳极催化剂的作用下发生分解反应：2h2o-4e-→4h++o2，生成的质子通过质子交换膜转移到阴极为co2还原提供氢源，而电子则在外电路驱动作用下转移到阴极为co2还原反应提供动力。

10、作为本发明的一个实施方案，在步骤s1中，所述电阳极催化剂包括金属氧化物、纯碳基底、金属有机骨架中的至少一种。

11、进一步地，所述电阳极催化剂包括二氧化钛、碳纳米管、铁基金属有机骨架mil-101(fe)中的至少一种。

12、本发明中，电阳极包括基底电极、电阳极催化剂；所述电阳极通过将基底电极浸润于电阳极催化剂溶液或分散液中，并干燥后获得。

13、进一步地，所述基底电极包括铜电极、铝电极、银电极、碳基材料电极中的至少一种。

14、作为本发明的一个实施方案，在步骤s1中，所述阳极腔中的电解液包括nacl溶液、kh2po4溶液(磷酸一氢钾溶液)、mgcl2溶液、cacl2溶液中的至少一种。

15、作为本发明的一个实施方案，在步骤s2中，火星原位co2资源包括直接收集的火星大气或火星大气经过除尘和组分分离得到的高纯co2。

16、作为本发明的一个实施方案，在步骤s2中，阴极腔中的电阴极催化剂包括碳毡、沸石咪唑骨架中的至少一种。

17、本发明中，当电阴极催化剂为碳毡时，电阴极为碳毡电极；当电阴极催化剂为沸石咪唑骨架时，电阴极通过将基底电极浸润于沸石咪唑骨架溶液或分散液中，并干燥后获得。

18、作为本发明的一个实施方案，所述沸石咪唑骨架包括钴基zif-67。

19、作为本发明的一个实施方案，在步骤s2中，产甲烷微生物为能够代谢co2生成甲烷的各类微生物。

20、作为本发明的一个实施方案，在步骤s2中，产甲烷微生物包括巴氏甲烷八叠球菌、嗜热自养甲烷杆菌、甲酸甲烷杆菌、史氏甲烷短杆菌中的至少一种。在电阴极的上附着产甲烷微生物，利用微生物的定向转化特性提高co2还原生成甲烷产率：co2+8h++8e-→ch4+2h2o。

21、作为本发明的一个实施方案，在步骤s2中，所述阴极腔中的电解分散液包括电解液和导电材料，所述导电材料在电解分散液中的浓度为100-500mg/l。

22、作为本发明的一个实施方案，所述导电材料包括金属氧化物纳米颗粒、金属氧化物磁小体中的至少一种，所述金属氧化物包括二氧化钛。

23、作为本发明的一个实施方案，在步骤s3中，将收集并提纯后的氧气和甲烷贮存于相应贮箱中。

24、第二方面，本发明提供一种如所述制备方法得到的火星原位推进剂，所述火星原位推进剂包括氧气和甲烷。

25、第三方面，本发明提供一种如所述火星原位推进剂的应用，所述应用包括用于火星飞行器推进剂制备、火星基地能源供应。

26、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

27、(1)本发明通过添加金属氧化物纳米颗粒、磁小体等优良导电材料，进一步促进强氧化还原活性的胞外聚合物分泌，从产甲烷菌细胞表面延伸出来的丝状蛋白细胞与电阴极催化剂之间形成纳米导线，从而形成微生物复合微观结构，进而强化远距离的胞外电子传递通路，增强co2的质子还原过程。

28、(2)原位资源利用技术是未来火星探测返回任务的重要保障，针对火星大气中的丰富co2和近地表盐水资源的利用，本发明设计构建适应火星环境的微生物电化学推进剂原位合成方法，强化电子传递效率，利用电阳极催化剂中的不饱和配位键定向降低反应能垒，通过菌种与催化剂之间形成的微生物复合微观结构提高甲烷和氧气产物选择性，进而为利用火星资源大规模原位制备甲烷和氧气推进剂奠定基础，对于我国未来建立地外资源补给站、开展载人火星探测任务具有重要意义。