Design of the gaseous byproduct regeneration block to close the water production loop on ISRU plant on the Moon

The construction of colonies on extraterrestrial planets such as the Moon requires the development of technologies dedicated to in situ extraction called ISRU (In-Situ Resource Utilization). For this reason, extit{Politecnico di Milano} has decided to develop a plant, which exploits the reactions of carbothermal reduction and methanation, to produce water from the lunar regolith. In the plant the reactions are triggered thanks to a mixture of hydrogen and methane. One of the main advantages of the process is that methane and hydrogen are also the products of the process in different concentration and flow with respect to the input. So the aim of the work is to develop a solution capable of recycling these gases. To achieve this goal, it is necessary to understand the correct dynamics of what happens inside the plant. For this reason, starting from the data obtained during the first experimental campaign, different models are developed to predict the evolution of the species. Varying the process parameters, the concentrations, moles and pressure of the gases are computed by modeling the intermediate reactions as a black box. Finally, the heart core of the work is the design of a solution capable of separating methane from hydrogen and reusing them, with all the necessary trade-offs, supported by the model's results. Three methods were screened: Pressure Swing Apsorbtion, Cryogenic Distillation and PEM (Proton-exchange membrane) cell. The analysis are carried out starting from a strong theoretical reflection, trying to understand what were the strengths and weaknesses of each possible solution. When the possible alternatives were examined, the analysis shifted to their sizing, providing volumes, powers and masses. To justify the scalability of the plant a parametric analysis of the sizing with respect to the molar flow and number of moles is carried out. This led to the choice of the PEM cell as the optimal solution, and consequently the work of designing the solution began. Ence, at the end of this thesis the design is presented, as well as the product tree and experimental tests of the methane and hydrogen recycling unit, with the aim of allowing the assembly and testing of the solution on the plant.

La costruzione di colonie su pianeti extraterrestri come la Luna richiede lo sviluppo di tecnologie dedicate all'estrazione in situ denominate ISRU (In-Situ Resource Utilization). Per questo il extit{Politecnico di Milano} ha deciso di sviluppare un impianto, che sfrutta le reazioni carbotermica e metanazione, per produrre acqua dalla regolite lunare. Nell'impianto le reazioni si innescano grazie ad una miscela di idrogeno e metano. Uno dei principali vantaggi del processo è che metano e idrogeno sono anche i prodotti del processo in concentrazione e flusso diversi rispetto all'ingresso. Quindi lo scopo del lavoro è quello di sviluppare una soluzione in grado di riciclare questi gas. Per raggiungere questo obiettivo è necessario comprendere la corretta dinamica di ciò che accade all'interno dell'impianto. Partendo dai dati ottenuti durante la prima campagna sperimentale, vengono sviluppati diversi modelli per prevedere l'evoluzione della specie. Variando i parametri di processo, le concentrazioni, le moli e la pressione dei gas vengono calcolate modellando le reazioni intermedie come una scatola nera. Infine, il cuore del lavoro è la progettazione di una soluzione in grado di separare il metano dall'idrogeno e riutilizzarli, supportati dai risultati del modello. Sono stati esaminati tre metodi: assorbimento dell'oscillazione della pressione, distillazione criogenica e cella PEM (membrana a scambio protonico). Le analisi vengono svolte partendo da una forte riflessione teorica, cercando di capire quali fossero i punti di forza e di debolezza di ogni possibile soluzione. Quando sono state esaminate le possibili alternative, l'analisi si è spostata sul loro dimensionamento, fornendo volumi, potenze e masse. Per giustificare la scalabilità dell'impianto viene effettuata un'analisi parametrica del dimensionamento rispetto al flusso molare e al numero di moli. Ciò ha portato alla scelta della cella PEM come soluzione ottimale e di conseguenza è iniziato il lavoro di progettazione della soluzione. Pertanto, al termine di questa tesi viene presentato il progetto, l'albero del prodotto e le prove sperimentali dell'unità di riciclo del metano e dell'idrogeno, con l'obiettivo di consentire il montaggio e il collaudo della soluzione sull'impianto.