Planetary resources handling for oxygen extraction : numerical modeling and experiments towards a pilot plant design

In a harsh environment like space, the capability of using the local resources is of paramount importance to allow a sustainable and safe exploration. In this context, the current research is focused on In Situ Resources Utilization (ISRU) techniques for oxygen and byproduct extraction on the Moon. Attention is dedicated to the most promising extraction techniques, not only to widen the horizons on the topic, but also to have a close view on their criticalities and advantages. In this way, it is possible to reason on the methods and transfer best practices and ideas among them. The oxidation and corrosion problems of the molten salts electrolysis, also known as Fray-Farthing-Chen Cambridge process, are analyzed. The experimental campaign conducted on the Solar Vacuum Pyrolysis method, its modelling and utilization strategies are presented. Then, the carbothermal reduction of molten regolith is discussed analyzing yields, expected products and the needed technology. The focus then passes to the low temperature carbothermal reduction, under investigation at Politecnico di Milano. Attention is dedicated to the AIV/AIT activities on a demonstrator plant, followed by the experimental campaign that aimed at assessing the reaction behavior changing the process governing parameters, consolidating a first baseline. On the basis of these experiments, different modelling strategies are adopted to have a first model: they allow to scientifically understand the process, while practically reducing the time and costs of an experimental campaign that has many process parameters involved. To make the process self-sustainable, the carbon recovery strategies are assessed by integrating the carbothermal process with the other methods and evaluating the by-products. From the gases point of view, instead, the investigation of three different separation technologies is carried out to understand the feasibility of this section of the process: Proton Exchange Membrane cell, Cryogenic Distillation, and Pressure Swing Absorption. The analysis is complemented with the formalization of the control strategies to assess the feasibility of recycling. Finally, once the upscaling needs are identified, attention is dedicated to the downscale of the technology for an in situ demonstration. It imposes critical challenges because of mass and power limitations. The analysis of the ConOps and a preliminary trade-off are presented along with the challenges of the design of the main blocks. The first experiments and the needs for the incoming experimental campaign are described.

In un ambiente ostile come lo spazio, la capacità di sfruttare le risorse locali è di vitale importanza per permettere una esplorazione sostenibile e sicura. In questo contesto, la ricerca qui presentata è focalizzata sulle tecniche di utilizzo di risorse in loco (ISRU), in particolare per l’estrazione di ossigeno e l’utilizzo degli scarti di produzione sulla Luna. Viene dedicata attenzione alle tecniche più promettenti di estrazione, non solo per ampliare gli orizzonti sul tema, ma anche per entrare in contatto più da vicino con le loro criticità e vantaggi. In questo modo, è possibile ragionare sui metodi in sé e sul trasferimento di idee e buone pratiche tra di loro. Sono stati analizzati i problemi di corrosione e ossidazione nell’elettrolisi con sali fusi, nota anche come processo Fray-Farthing-Chen Cambridge. Viene presentata la campagna sperimentale della pirolisi solare in vuoto, la sua modellazione e i suoi metodi di utilizzo. In seguito, la reazione carbotermica con regolite fusa viene discussa analizzando rese, prodotti attesi e la tecnologia necessaria. L’attenzione poi passa alla reazione carbotermica a basse temperature, investigata al Politecnico di Milano. Viene dedicata attenzione alle attività di assemblaggio e verifica dell’impianto dimostratore, seguite dalla campagna sperimentale che ha puntato alla verifica del comportamento della reazione cambiando i parametri che governano il processo, consolidando un primo insieme di parametri. Sulla base di questi esperimenti, sono state impiegate differenti tecniche di modellazione per arrivare ai primi modelli: essi consentono di capire scientificamente il processo, riducendo così il tempo e il costo derivante da una campagna sperimentale che ha diversi parametri di processo coinvolti. Per rendere il processo sostenibile da sè, le strategie di recupero del carbonio sono investigate integrando il processo carbotermico con gli altri processi e valutando i prodotti di scarto ottenuti. Dal punto di vista dei gas, invece, è stata effettuata un’analisi di tre differenti tecnologie di separazione per valutare la fattibilità di questa sezione del processo: cella con membrana a scambio di protoni, distillazione criogenica e assorbimento con pressione variabile. L’analisi è affiancata dalla formalizzazione delle strategie di controllo per valutare la fattibilità del riciclo. Infine, una volta definiti i bisogni per la scalatura verso l’altro, viene dedicata attenzione alla scalatura verso il basso per una dimostrazione in loco. Ciò impone sfide non banali soprattutto per le limitazioni in massa e potenza. L’analisi delle operazioni e della selezione preliminare della architettura sono presentati insieme alle sfide nella progettazione dei principali blocchi. I primi esperimenti e i bisogni della prossima campagna sperimentale sono descritti.