一种月球极区阴影坑水冰开采与利用系统及其开采方法

1.本发明属于水冰开采领域，特别是涉及一种月球极区阴影坑水冰开采与利用系统及其开采方法。


背景技术：

2.月球可能具有丰富的水资源，鉴于水资源以水冰的形态主要分布于月球极区的永久阴影区中，无法接受到光照也就是无法直接利用太阳能，所以能源问题大大的限制了水冰的开采和利用。所以水冰的开采和利用方案应该尽可能的一体化与集成化，尽可能的减少能源的消耗。由于水冰位于永久阴影坑内，所以开采以及利用装置最好都在坑内，省去了向坑外运移的步骤。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明旨在提出一种月球极区阴影坑水冰开采与利用系统及其开采方法，以解决现有技术没有能实现月球极端低温真空环境的水资源开采的问题。
4.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种月球极区阴影坑水冰开采与利用系统，包括聚光镜、月球车、氢氧运输车和火箭，位于阴影坑边缘的可接受光照的聚光镜将太阳能汇聚到月球车上的太阳能电池板及光催化分解装置上，为其提供能量；所述月球车将其下方的取芯器钻进富含水冰的月球阴影坑区域；取芯器顶部的旋转滑环提供电能给取芯器内壁，加热周围水冰升华成水蒸气；水蒸汽沿着位于取芯器上的气管运输到光催化分解装置上，光催化分解装置利用太阳能将水分解成氢和氧；氢氧运输车将分解好的氢和氧运输到火箭处，为其提供燃料。
5.更进一步的，所述月球车包括车体、太阳能电池板、冲击器、旋转滑环、取芯器、气管和光催化分解装置，所述车体的上方安装有太阳能电池板，所述太阳能电池板与冲击器连接，所述车体下方安装有冲击器，所述冲击器下方依次安装有旋转滑环和取芯器，所述气管与冲击器外部连接。
6.更进一步的，所述取芯器分为取芯器内壁和取芯器外壁，取芯器外壁采用绝热材料，作用是减少热能的消散。
7.更进一步的，所述取芯器内壁配有加热电阻，能够利用旋转滑环提供的电能制造水蒸气升华需要的热量。
8.更进一步的，所述取芯器内壁上开有许多小孔，加大升华面积方便水蒸气进入气管。
9.更进一步的，所述旋转滑环分为定子和转子，其中转子连着取芯器外壁，定子连着取芯器内壁，冲击器为旋转滑环提供动能，旋转滑环为取芯器外壁8提供转动动能，让取芯器外壁旋转。
10.更进一步的，所述火箭位于阴影坑底。
11.更进一步的，所述光催化分解装置利用了光催化分解水的方式分解水，利用太阳
光中的光子撞击催化剂产生并分离电子-空穴对，使空穴和电子传播到水的界面，催化从水中产生氢和氧。
12.一种所述的月球极区阴影坑水冰开采与利用系统的开采方法，具体包括以下步骤：
13.(1)位于阴影坑边缘的可接受光照的聚光镜将太阳能汇聚到月球车上的太阳能电池板及光催化分解装置上，为其提供能量；
14.(2)月球车将取芯器钻进富含水冰的月球阴影坑区域；
15.(3)取芯器顶部的旋转滑环提供电能给取芯器内壁，加热周围水冰升华成水蒸气；
16.(4)水蒸汽沿着位于取芯器上的气管运输到光催化分解装置上，光催化分解装置利用太阳能将水分解成氢和氧；
17.(5)氢氧运输车将分解好的氢和氧运输到火箭处，为其提供燃料。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
19.(1)本发明将月壤的钻取和水冰的提取集成化，尽可能减少系统的复杂程度，减少能量消耗。
20.(2)本发明能够利用阴影坑之外的太阳能为系统提供能量；取芯器的双层结构减少了水蒸气的丢失，提高了水冰的回收率；外层的绝热材料提高了热量的利用率；内层的小孔加大了升华面积，提高了水冰的收集速度。
21.(3)本发明利用光催化分解装置，减少了能量的消耗。
22.(4)本发明的小型火箭直接位于坑底减少了氢氧向坑外运输的需求。
附图说明
23.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
24.在附图中：
25.图1为本发明所述的一种月球极区阴影坑水冰开采系统的总体图；
26.图2为本发明所述的一种月球极区阴影坑水冰开采系统中的月球车的放大图；
27.图3为本发明所述的取芯器的局部放大图；
28.附图标记：1-聚光镜；2-月球车；3-氢氧运输车；4-火箭；5-钻头；6-旋转滑环；7-取芯器外壁；8-取芯器内壁；9-气管；10-光催化分解装置。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
30.一、具体实施方式一，参见图1-3说明本实施方式，一种月球极区阴影坑水冰开采与利用系统，包括聚光镜1、月球车2、氢氧运输车3和火箭4，位于阴影坑边缘的可接受光照的聚光镜1将太阳能汇聚到月球车2上的太阳能电池板及光催化分解装置10上，为其提供能量；所述月球车2将其下方的取芯器钻进富含水冰的月球阴影坑区域；取芯器顶部的旋转滑环6提供电能给取芯器内壁8，加热周围水冰升华成水蒸气；水蒸汽沿着位于取芯器上的气
管9运输到光催化分解装置10上，光催化分解装置10利用太阳能将水分解成氢和氧；氢氧运输车3将分解好的氢和氧运输到火箭4处，为其提供燃料。
31.所述月球车2包括车体、太阳能电池板、冲击器5、旋转滑环6、取芯器、气管9和光催化分解装置10，所述车体的上方安装有太阳能电池板，所述太阳能电池板与冲击器5连接，所述车体下方安装有冲击器5，所述冲击器5下方依次安装有旋转滑环6和取芯器，所述气管9与冲击器5外部连接。
32.所述取芯器分为取芯器内壁8和取芯器外壁7，取芯器外壁7采用绝热材料，作用是减少热能的消散。
33.所述取芯器内壁8配有加热电阻，能够利用旋转滑环6提供的电能制造水蒸气升华需要的热量。
34.所述取芯器内壁8上开有许多小孔，加大升华面积方便水蒸气进入气管9。
35.所述旋转滑环6分为定子和转子，其中转子连着取芯器外壁7，定子连着取芯器内壁8，冲击器5为旋转滑环6提供动能，旋转滑环6为取芯器外壁7提供转动动能，让取芯器外壁7旋转。
36.所述取芯器上部接有冲击器5，冲击器5可以为取芯器潜入提供冲击能量，加快取芯器潜入的速度。
37.所述取芯器和冲击器5之间安装有旋转滑环6，起到连接旋转体与静止体以及输送能源的作用。
38.能量从上到下供给顺序为：从月球车的太阳能电池板到冲击器5，到旋转滑环6，再到取芯器。
39.位于阴影坑边缘的聚光镜1可以把太阳能转移到原本太阳光无法照射到的月球极区永久阴影坑内。所述火箭4位于阴影坑底。
40.所述光催化分解装置10利用了光催化分解水的方式分解水，利用太阳光中的光子撞击催化剂产生并分离电子-空穴对，使空穴和电子传播到水的界面，催化从水中产生氢和氧。所述光催化分解装置10，直接利用了太阳能而不是将太阳能转换成电再利用。
41.所述月球极区阴影坑水冰开采与利用系统的工作原理是：
42.在月球极区的一些位置永久不会受到光照，所以水资源以水冰的形式存在的可能性很大，而水冰存在的位置可能位于较深的底部，这就给水冰资源的开采利用带来了很大的难度。而且最可能含有月壤水冰的地点是极区的永久阴影坑内，没有光照意味着没有太阳能发电，而没有电意味着水冰的采集、收集、运输都面临能源短缺的问题。坑内意味着水资源的运移会成为很大的问题，轮式的月球机器人很难胜任，可能需要能够飞行的机器人或者跳跃式机器人。
43.本发明首先利用在坑边上的聚光镜1解决能源的来源问题，然后结合探采一体化的原则，用双层取芯器的形式使含有水冰的月壤进入取芯器内壁8，取芯器内壁8通过旋转滑环6提供的热量加热月壤，水蒸气通过取芯器内壁8上的小孔进入取芯器内壁8与取芯器外壁7之间的空间，沿着气管9进入到氢氧运输车3之中。
44.所述光催化分解装置10利用了光催化分解水的方式分解水，利用太阳光中的光子撞击催化剂产生并分离电子-空穴对，使空穴和电子传播到水的界面，催化从水中产生氢和氧，避免了传统的电解水中的太阳能向电能的转换，提高了能量利用率。
45.在地球发射的小型火箭4直接降落到永久阴影坑内，再由水冰利用装置补充燃料，避免了氢氧向坑外运输的需求。
46.一种利用所述的月球极区阴影坑水冰开采与利用系统的开采方法，具体包括以下步骤：
47.(1)位于阴影坑边缘的可接受光照的聚光镜1将太阳能汇聚到月球车2上的太阳能电池板及光催化分解装置10上，为其提供能量；
48.(2)月球车2将取芯器钻进富含水冰的月球阴影坑区域；
49.(3)取芯器顶部的旋转滑环6提供电能给取芯器内壁8，加热周围水冰升华成水蒸气；
50.(4)水蒸汽沿着位于取芯器上的气管9运输到光催化分解装置10上，光催化分解装置10利用太阳能将水分解成氢和氧；
51.(5)氢氧运输车3将分解好的氢和氧运输到火箭4处，为其提供燃料。
52.以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。