[發明專利]一種月球水冰原位加熱開采的方法

有效

• 申請號: 202010697913.9
• 申請日: 2020-07-17
• 公開（公告）號: CN113107494B
• 公開（公告）日: 2022-01-11
• 發明（設計）人: 宋洪慶;張杰;張賢國;孫越強;馬冬宇;李正一;寇玨
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: E21C51/00
• 分類號: E21C51/00
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

本發明提供一種月球水冰原位加熱開采的方法，屬于月球資源與能源開采技術領域。該方法首先提取目標開采區域含水冰月壤物性參數，然后利用水蒸氣捕集罩原位收集模型，計算穩定生產時不同導熱棒溫度下的捕集罩中水蒸氣的壓強以及水冰收集率，根據得到的不同導熱棒溫度下的捕集罩中水蒸氣的壓強，確定水冰最優開采溫度，基于提取的物性參數，對水冰熱采過程中的月壤溫度進行數值求解，最后根據得到的水冰最優開采溫度以及不同導熱棒數量下月壤溫度的時空分布，計算對于給定最大升溫時間內，水冰開采的最優導熱棒數量。本發明實現了月球極區水冰開采方案的優化，為未來實現月球資源的原位利用奠定基礎。

技術領域

本發明屬于月球資源與能源開采領域，涉及月球水冰原位加熱開采的方法，具體涉及一種通過構建并優化原位熱采法的月球水冰開采系統，來實現月球水冰高效原位開采的方法。

背景技術

月球作為距離地球最近的天體，以其獨特的空間位置、廣闊的科學探索前景，成為人類地外天體探測和資源利用的首選目標。這其中，建立月球基地是關鍵一步。實現月球水資源的原位利用對于未來月球基地的建立和持久運行具有重要意義。例如，原位獲取的水冰經過處理，可以直接提供維持月球基地中人類生存所需的飲用水。同時，電解水產生的氧氣，可用作月球基地中人類呼吸代謝的消耗品，而產生的氫氣也可為火箭發動機提供無污染的燃燒劑。由于月球水冰主要的存在環境為極區的永久陰影區，永久陰影區的極低溫與高真空等環境條件會顯著影響水冰的物理化學性質，進而加大水冰開采的難度。目前針對月球極區水冰的研究主要集中在水冰的相變特征，尤其是升華特征。然而，要實現月球水冰資源的高效原位利用，不僅僅需要考慮水冰的升華，還需要構建一個月球水冰的原位熱采系統，進而優化月球水冰開采方案。

發明內容

本發明針對目前月球水冰高效原位開采方案缺乏的問題，創新性的提出一種月球水冰原位加熱開采系統及優化設計方法，該方法可應用于月球極區極低溫與高真空條件下的水冰高效原位加熱獲取，構建了基于原位熱采法的月球水冰的開采方法體系，研究了水冰的最優開采溫度以及導熱棒的最優布置數量，實現了月球極區水冰開采方案的優化，為未來實現月球資源的原位利用奠定基礎。

該方法首先提取目標開采區域含水冰月壤物性參數，然后利用水蒸氣捕集罩原位收集模型，計算穩定生產時不同導熱棒溫度下的捕集罩中水蒸氣的壓強以及水冰收集率，根據得到的不同導熱棒溫度下的捕集罩中水蒸氣的壓強，確定水冰最優開采溫度，基于提取的物性參數，對水冰熱采過程中的月壤溫度進行數值求解，最后根據得到的水冰最優開采溫度以及不同導熱棒數量下月壤溫度的時空分布，計算對于給定最大升溫時間內，水冰開采的最優導熱棒數量。

具體包括步驟如下：

(1)提取目標開采區域含水冰月壤物性參數；

(2)利用水蒸氣捕集罩原位收集模型，計算穩定生產時不同導熱棒溫度下的捕集罩中水蒸氣的壓強以及水冰收集率。該步驟(2)通過考慮月球極區的極低溫、高真空條件，建立水蒸氣捕集罩原位收集模型，進而可以求出水冰穩定生產時，不同導熱棒溫度下的捕集罩中水蒸氣的壓強以及水冰收集率；

(3)根據得到的不同導熱棒溫度下的捕集罩中水蒸氣的壓強，確定水冰最優開采溫度。該步驟(3)通過結合水冰收集率和捕集罩水蒸汽壓強隨導熱棒溫度的變化率這兩個因素，創新地形成水冰最優開采溫度的確定方法，進而提升水冰原位開采效率；

(4)利用月球水冰升華-擴散耦合數學模型，基于提取的物性參數，對水冰熱采過程中的月壤溫度進行數值求解；

(5)結合水冰最優開采溫度以及不同導熱棒數量下月壤溫度的時空分布，計算對于給定最大升溫時間內，水冰開采的最優導熱棒數量。該步驟(5)創新地通過判斷不同數量的導熱棒下，在給定的升溫時間內，月壤層達到最優開采溫度的快慢，確定最優導熱棒數量。

其中，步驟(1)中物性參數包括含水冰月壤的初始溫度、密度、導熱系數、比熱容、孔隙度。