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一种火星CO2动态适应型地底水冰融化腔体系统及水冰融化方法

花匠小妙招
2025-09-17 18:53

本发明属于行星原位资源利用，特别是涉及一种火星co2动态适应型地底水冰融化腔体系统。

背景技术：

1、火星地表下蕴藏着丰富的水冰资源，这对于未来人类探索和建立永久性基地至关重要。水冰不仅是饮用水的来源，也是生产生命所需氧气和火箭燃料（液氢液氧）的关键前体。然而，在火星上获取和稳定利用液态水面临以下独特而严峻的挑战，这些挑战直接催生了对融冰腔体进行精确压强和温度控制的必要性：

2、1、液态水的不稳定性与相变物理限制：火星地表的平均大气压约为600 pa。水的相图表明，在低于三相点压力（611.7 pa）的条件下，水无法以液态形式稳定存在。这意味着，即使温度适宜，冰也会直接升华成水蒸气，而不会先熔化成液态水。因此，为了在融冰腔体内部稳定地获得并收集液态水，必须在腔体内部维持一个持续高于水三相点压力的环境，并同时保证温度高于0°c。

3、2、火星大气co2的动态变化与压强控制难题：火星大气的主要成分是二氧化碳（co2）。其在两极的季节性凝华和升华过程，会导致局部和全球大气压发生显著波动。这种动态变化的co2分压对维持地下融冰腔体的恒定高压带来了巨大挑战。传统的从地球携带加压气体或持续消耗大量能源进行机械增压的方式，在火星任务中成本高昂且效率低下。因此，如何智能地适应并利用这种天然存在的co2分压波动来维持腔体所需压强（高于611.7 pa），是实现高效、可持续融冰的关键。

4、3、极端昼夜温差与温度控制挑战：火星表面存在高达100°c甚至更高的剧烈昼夜温差。例如，火星赤道地区的白天温度可升至约20°c，而夜晚则会骤降至-100°c甚至更低。水冰必须被持续加热至0°c（273.15 k）以上才能熔化。然而，夜间的极低环境温度会迅速导致已熔化的液态水重新冻结，并对加热系统造成巨大的能耗压力和系统磨损。因此，对融冰腔体进行精确且动态的温度控制至关重要，确保其温度始终维持在0°c以上，以保障水冰的持续熔化和液态水的稳定存在，并高效管理昼夜温差带来的热量损失。

5、现有技术中的火星水冰开采方案多采用简单的加热或封闭策略，未能充分考虑并有效解决火星大气co2的动态特性和剧烈昼夜温差所带来的压强与温度管理难题，导致其效率、自主性和可持续性受到严重限制。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种火星co2动态适应型地底水冰融化腔体系统及水冰融化方法，以解决现有技术中的火星水冰开采方案多采用简单的加热或封闭策略，无法有效解决火星大气co2的动态特性和剧烈昼夜温差所带来的压强与温度管理问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种火星co2动态适应型地底水冰融化腔体系统，所述系统包括：

4、融冰腔体、可膨胀密封单元、智能co2气体管理单元、智能热管理单元以及中央控制单元；

5、所述融冰腔体形成于火星地底水冰层内部，用于在受控环境下融化水冰；所述融冰腔体内部设有加热元件，所述融冰腔体上液态水收集口；

6、所述可膨胀密封单元设置于所述融冰腔体的井口处，用于将所述融冰腔体与外部火星大气环境进行气密性隔离，通过膨胀与井壁贴合以维持密封；

7、所述智能co2气体管理单元与所述融冰腔体相连，包括外部co2捕获与过滤模块、压力传感器阵列以及动态增压控制模块；所述动态增压控制模块由中央控制单元控制，用于根据外部火星大气co2分压的实时变化和所述融冰腔体的预设目标压强，动态调节co2流入或流出所述腔体的流量，所述目标压强始终维持在高于水三相点压力611.7pa的液态水稳定存在区域内；

8、所述智能热管理单元与所述融冰腔体的内部加热元件相连，包括热泵系统和相变材料储热模块，用于在火星昼夜温差变化下动态调度热能，确保所述融冰腔体温度始终维持在0℃以上；

9、所述中央控制单元搭载人工智能算法，用于接收传感器数据并输出控制指令，动态优化所述智能co2气体管理单元和所述智能热管理单元的工作模式，实现系统能源效率最大化和水冰产出率最优化。

10、进一步的，还提出一种优选方式，所述可膨胀密封单元由多层复合材料制成，包括：最外层的氟化乙丙烯薄膜，中间层的氟硅橡胶基体和最内层的聚氨酯涂层；并通过内部充气或液压充气驱动可膨胀密封单元膨胀，以在所述融冰腔体内部建立并维持高于水三相点压力611.7pa且温度高于0℃的环境。

11、进一步的，还提出一种优选方式，所述智能co2气体管理单元的动态增压控制模块包括智能阀门、微型co2压缩机和co2储存罐；其中，当外部火星大气co2分压高于所述融冰腔体的目标压强时，所述动态增压控制模块通过所述智能阀门直接引入过滤后的外部co2气体进入所述融冰腔体进行增压；当外部火星大气co2分压低于所述目标压强时，所述动态增压控制模块从所述co2储存罐中抽取co2并通过所述微型co2压缩机泵入所述融冰腔体。

12、进一步的，还提出一种优选方式，所述外部co2捕获与过滤模块包括co2选择性吸附器，用于高效捕获并过滤火星大气中的co2气体；所述压力传感器阵列包括高精度压阻式或电容式传感器，用于实时监测融冰腔体内部压强和外部火星大气co2分压。

13、进一步的，还提出一种优选方式，所述智能热管理单元的热泵系统为紧凑型蒸汽压缩式或吸收式结构，其性能系数cop基于热源和热汇温度动态调整；所述相变材料储热模块在白天有充足能源时将多余热量储存，并在夜间环境温度骤降时释放热量以维持所述融冰腔体温度在0℃以上。

14、进一步的，还提出一种优选方式，所述智能热管理单元还包括冷量管理模块，用于融冰过程产生的冷量通过热泵引导至co2捕获器。

15、进一步的，还提出一种优选方式，所述中央控制单元搭载的所述人工智能算法为模型预测控制算法，所述模型预测控制算法包括：

16、基于系统动力学模型预测未来状态；

17、通过优化问题最小化系统总能源消耗并最大化水冰产出速率，目标函数为：

18、

19、其中，α和β是可调权重系数，为总能源消耗，为水冰产出速率；

20、优化过程满足约束条件，包括：融冰腔体压强在[ pmin, pmax]范围内且高于611.7pa，温度在 [ tmin, tmax]范围内且高于0℃。

21、进一步的，还提出一种优选方式，所述中央控制单元接收的传感器数据包括外部大气压、外部co2分压、外部环境温度、腔体内部压强、腔体内部温度、水冰熔化速率、能源储备状态和co2储存量。

22、进一步的，还提出一种优选方式，所述融冰腔体内部的压强和温度控制区域位于水的相图中的固-液平衡线与液-气平衡线之间的液态水稳定区域。

23、基于同一发明构思，本发明还提出一种火星地底水冰融化的方法，所述方法基于上述任一项所述的系统实现，所述方法包括：

24、形成密封地底融冰腔体，以在所述腔体内部建立并维持高于水三相点压力611.7pa且温度高于0℃的环境；

25、实时感知火星外部环境参数和所述腔体内部状态，所述外部环境参数包括大气压、co2分压和昼夜温度；

26、根据所述外部co2分压和所述腔体目标压强，通过所述智能co2气体管理单元动态调节腔体内部压强；

27、根据所述外部环境温度和能源可用性，通过所述智能热管理单元动态调度热能以维持所述腔体温度进行水冰熔化；

28、收集并净化熔融水。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

30、1、高效利用本地资源，保障液态水稳定性：本发明提出的火星co2动态适应型地底水冰融化腔体系统巧妙地将火星大气中co2的季节性分压变化从障碍转化为资源，作为腔体增压的本地气源，大幅减少了从地球携带增压气体的需求。通过对腔内压强（始终高于水三相点压力）和温度（始终高于0°c）的协同控制，确保了冰熔化后能稳定存在为液态水，避免升华损失，并在满足固-液平衡线条件。

31、2、能源效率显著提升，适应极端温差：在火星大气压较高时，本发明提出的火星co2动态适应型地底水冰融化腔体系统利用外部co2进行低能耗增压，避免不必要的压缩功耗。通过热泵与相变材料储能的结合，在火星剧烈昼夜温差（如白天20°c，夜晚-100°c）下实现了热能的高效回收、储存和按需分配，显著降低了整体能源消耗。这确保了系统在火星极寒的夜间也能持续高效供热，保障水冰连续熔化和液态水的稳定产出。

32、3、高度自主与环境适应性强：本发明提出的火星co2动态适应型地底水冰融化腔体系统中智能控制单元能够实时感知并动态适应火星大气压和温度的季节性及昼夜变化，自动调整腔体运行参数，极大地提高了系统的自主性、鲁棒性及环境适应能力，减少了对地球远程干预的依赖。

33、4、水冰获取稳定可靠：本发明提出的火星co2动态适应型地底水冰融化腔体系统通过对腔体内部压力和温度的精确动态控制，确保其始终处于水冰熔化并保持液态所需的稳定条件，保障了液态水的连续、高效产出，提高了任务的成功率和可持续性。