[发明专利]一种利用静电输运和聚光熔融烧结的原位资源处理系统

说明书

一种利用静电输运和聚光熔融烧结的原位资源处理系统，包括静电输运子系统和聚光熔融烧结子系统，两子系统通过三维支架实现装配和位置调控；静电输运子系统通过保守静电力实现土壤颗粒的定向操控运动，聚光熔融烧结子系统通过太阳光聚光装置和导光装置，形成并操控聚焦光斑，烧蚀熔融土壤颗粒。该系统引入独特的土壤颗粒静电输运子系统，土壤颗粒输运能耗小、操控精度高；独特的聚光熔融烧结子系统，实现了原位太阳光的高效汇聚和有效传导，能源利用效率高，处理过程操控性强，系统整体原理简单可行，结构设计巧妙，质量功耗代价较低，可靠性高。

技术领域

本发明涉及一种新型原位资源处理系统，特别是涉及一种利用静电输运和聚光熔融烧结的原位资源处理系统，可作为地外生存原位资源有效利用的重要手段。同时，该系统也可用于地外生存原位资源发电的致密蓄能模块加工研制，在地外生存能源关键问题解决方面发挥重要作用。此外，该系统还可扩展为原位资源的空间3D打印领域，实现基于原位资源的空间部组件3D打印。

背景技术

随着人类探索疆域的拓展，重返月球、载人火星等极具挑战性的航天任务逐步提上日程。我国在载人和探月重大科技专项工程的基础上开展后续载人探索计划论证，美俄等国正在实施宏伟的载人深空探索计划，SpaceX、洛马等航天公司也提出了载人火星探索计划，月球开发将向民间企业开放，月球将被纳入地球经济圈。载人深空探索已成为当前国际太空活动的前沿热点。

在载人深空探索活动中，地外生存技术是人类实现地外移民、长期居住的基础技术，它涉及到对地外行星环境资源的深入了解，对人、动植物、微生物等组成的地外微小型生态圈的平衡维持和可持续发展能力。因此，地外生存技术是行星科学、生命科学和航天技术前沿交叉的新领域。生物体生存过程面临基本的能量与物质需求。对能源需求来说，对于一个小型地外前哨战，其电力和热能消耗一般为十千瓦级，因月夜长达350小时，即使采用500Wh/kg高比能再生燃料电池，储能质量也会超过7吨(平均供电10kW)。为满足基本生理需求，航天员消耗为水27.6千克/(天·人)，氧1千克/(天·人)，食物1.5千克 /(天·人)，其它3.5千克/(天·人)，共计33.6千克/(天·人)。对于6个乘员的火星任务，若不循环利用物资，其需携带的消耗品就需高达200吨，若采用再生技术，携带的消耗品仍需达38吨。因此，从地球上携带资源来开展载人地外探索，任务成本代价极高，技术上也难以实现，必须对地外天体原位资源加以有效利用并对携带的物资进行循环利用，才能大大降低从地球携带的物资，使载人深空探索任务具备可行性。

地外天体土壤储量丰富且矿物质成分多样，是开展原位资源有效利用的首选原材料。月壤可以用于环控生保物资、工程材料物资以及结构材料物资等。同时，月壤还可作为蓄能材料，将太阳辐射能进行收集存储，进行余热利用和热能供给。但由于月壤中不含有水和气体，热量在月壤中的传递主要依靠固体颗粒的导热和月壤孔隙的辐射来完成，导致原始月壤，特别是表层月壤的热导率极低(大致在0.9-1.6mW/(m.K)之间)。低热导率导致月壤升温仅限于极薄浅层，极大限制了月壤的温升蓄热能力，使得原始月壤利用价值大打折扣，也限制了原位资源利用技术的发展。月壤输运同样限制月壤的有效利用。传统输运方式，如气力输运、挖掘输运、升降梯输运等，不但系统组成复杂，可靠性不高，同时还面临输运工质损耗、能源消耗以及重量负担过重等不足，难以满足月壤高效、可控和便于实现的输运要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，基于原位资源高效利用思想，针对原位资源(表层土壤)输运困难、热导率低、蓄热能力有限等典型问题，提出一种基于静电输运和聚光熔融烧结的原位资源处理系统，利用保守静电力，实现原位资源颗粒的高效输运，利用新型聚光系统，实现高效光热转换，完成原位资源的熔融烧结处理，以提高原位资源的蓄热能力。

本发明包括如下技术方案：一种利用静电输运和聚光熔融烧结的原位资源处理系统，包括静电输运子系统和聚光熔融烧结子系统，两子系统通过三维支架实现装配和位置调控；静电输运子系统通过保守静电力实现土壤颗粒的定向操控运动，聚光熔融烧结子系统通过太阳光聚光装置和导光装置，形成并操控聚焦光斑，烧蚀熔融土壤颗粒。