Terrestrial Demonstrator for the Hydrogen Extraction of Oxygen from Lunar Regolith with Concentrated Solar Energy

• Autores: Denk Thorsten
• Directores de la Tesis: Carlos Gómez Camacho (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2022
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 220
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Idus
• Resumen
  • español

    En la Plataforma Solar de Almería (PSA) se ha diseñado, construido y probado una planta experimental para la reducción de ilmenita granular (FeTiO3) con hidrógeno (H2), alimentada por radiación solar concentrada con el objetivo de demostrar la extracción de oxígeno de la roca lunar. Esto se hace mediante un proceso de dos pasos con agua (H2O) como producto intermedio. La pieza central del sistema es un reactor tipo lecho fluidizado con una capacidad de 22 kg de ilmenita, capaz de funcionar completamente en modo continuo. El reactor tiene una gran ventana de cuarzo que permite que el rayo solar concentrado caliente directamente las partículas sin necesidad de ninguna superficie de intercambio de calor. El sistema incluye la mayoría de los componentes periféricos necesarios para demostrar su funcionamiento lo más parecido posible a lo que se puede esperar en la Luna. Esto incluye, en particular, el sistema de limpieza del gas de salida del reactor, la extracción del agua producto, y la recirculación del gas. El sistema fue operado en el Horno Solar de 60 kW en la PSA con energía solar durante 150 horas en cuatro campañas de ensayo. Todos los objetivos iniciales se alcanzaron con éxito. La temperatura máxima en el reactor fue de 977 °C, y durante un total de 21 horas de operación con hidrógeno, la reacción química produjo más de 1300 ml de agua. Hasta la fecha, este es el único demostrador terrestre a gran escala en Europa que ha producido con éxito agua a partir de minerales presentes en el regolito lunar únicamente con energía solar concentrada como fuente de calor, mostrando un camino para una futura producción química en la superficie lunar.

  • Deutsch

    Auf der Plataforma Solar de Almería (PSA) wurde eine mit konzentrierter Solarstrahlung betriebene Versuchsanlage zur Reduktion von granularem Ilmenit (FeTiO3) mit Wasserstoff (H2) entworfen, gebaut und getestet, um die Gewinnung von Sauerstoff aus Mondgestein zu demonstrieren. Dies geschieht in einem zweistufigen Prozess mit Wasser (H2O) als Zwischenprodukt. Das Herzstück des Systems ist ein Wirbelschichtreaktor mit einem Fassungsvermögen von 22 kg Ilmenit, der vollständig im kontinuierlichen Modus betrieben werden kann. Der Reaktor verfügt über ein großes Quarzfenster, durch das die konzentrierte Solarstrahlung die Partikel direkt erwärmen kann, ohne dass irgendwelche Wärmetauscher-flächen erforderlich wären. Das System umfasst die meisten peripheren Komponenten, die notwendig sind, um seine Funktionsweise so nah wie möglich an dem zu demonstrieren, was auf dem Mond zu erwarten ist. Dazu gehören insbesondere das Reinigungssystem für das Gas aus dem Reaktor, die Extraktion des Produktwassers sowie die Gasrückführung. Das System wurde im 60 kW-Sonnenofen der PSA in vier Testkampagnen für 150 Stunden mit Solarenergie betrieben. Alle anfänglichen Testziele wurden erfolgreich erreicht. Die maximale Betriebs-temperatur im Reaktor betrug 977 °C, und während des insgesamt 21-stündigen Betriebs mit Wasserstoff wurden durch die chemische Reaktion mehr als 1300 ml Wasser erzeugt. Bis heute ist dies der einzige in größerem Maßstab gebaute terrestrische Demonstrator in Europa, der erfolgreich Wasser aus den im Mondregolith vorhandenen Mineralen ausschließlich mit konzentrierter Solarenergie als Wärmequelle hergestellt hat, was einen Weg für zukünftige chemische Produktion auf der Mondoberfläche aufzeigt.

  • English

    An experimental plant for the reduction of granular ilmenite (FeTiO3) with hydrogen (H2) powered by concentrated solar radiation was designed, built, and tested to demonstrate extraction of oxygen from lunar soil at the Plataforma Solar de Almería (PSA). This is done by a two-step process with water (H2O) as the intermediate product. The center-piece of the system is a fluidized bed reactor with a capacity of 22 kg of ilmenite, capable of operating in fully continuous mode. The reactor has a large quartz window that allows the concentrated solar radiation to heat the particles directly without the need for any heat exchanger surfaces. The system includes most of the peripheral components required to demonstrate its functioning as close as possible to what can be expected on the Moon. This includes in particular the cleaning system for the off-gas from the reactor, the extraction of the product water, and the gas recovery. The system was operated in the 60 kW Solar Furnace at PSA with solar power during 150 hours in four test campaigns. All initial test goals were successfully achieved. The maximum operation temperature in the reactor was 977 °C, and during a total of 21 hours of operation with hydrogen, the chemical reaction produced more than 1300 ml of water. To this date, this is the only large scale terrestrial demonstrator in Europe that has successfully produced water from minerals present in lunar regolith solely with concentrated solar power as heat source, showing a path for future chemical production on the lunar surface.

  • français

    Une installation expérimentale pour la réduction de l'ilménite granulaire (FeTiO3) avec de l'hydrogène (H2), alimentée par le rayonnement solaire concentré, a été conçue, construite et testée à la Plataforma Solar de Almería (PSA) pour démontrer l'extraction de l'oxygène du sable lunaire. Ce processus se déroule en deux étapes, l'eau (H2O) étant un produit intermédiaire. La pièce centrale du système est un réacteur à lit fluidisé d'une capacité de 22 kg d'ilménite, capable de fonctionner entièrement en continu. Le réacteur est doté d'une grande fenêtre en quartz qui permet au rayon solaire concentré de chauffer directement les particules sans qu'aucune surface d'échange thermique ne soit nécessaire. Le système comprend la plupart des composants périphériques nécessaires à une démonstration de son fonctionnement le plus proche possible de ce qui peut être envisagé sur la Lune. Il s'agit notamment du système d'épuration du gaz d'échappement du réacteur, de l'extraction de l'eau du produit et de la recirculation du gaz. Le système a fonctionné dans le four solaire de 60 kW de la PSA avec de l'énergie solaire pendant 150 heures au cours de quatre campagnes d'essai. Tous les objectifs initiaux ont été atteints avec succès. La température maximale de fonctionnement dans le réacteur était de 977 °C, et pendant un total de 21 heures de fonctionnement avec de l'hydrogène, la réaction chimique a produit plus de 1300 ml d'eau. À ce jour, il s'agit du seul démonstrateur terrestre à grande échelle en Europe qui a réussi à produire de l'eau à partir de minéraux présents dans le régolithe lunaire en utilisant uniquement l'énergie solaire concentrée comme source de chaleur, montrant ainsi une voie à suivre pour la production chimique future sur la surface lunaire.