ARES BASE: Atmospheric Processing & Oxygen Generation Systems
Integrated CO₂ Scrubbing and O₂ Production from Martian Atmosphere
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# ARES BASE: Atmospheric Processing & Oxygen Generation Systems
Integrated CO₂ Scrubbing and O₂ Production from Martian Atmosphere
📋 Executive Summary
| Parameter | Specification |
|---|---|
| **Crew Capacity** | 40 nominal, 60 surge, scalable to 200+ |
| **O₂ Production (ISRU)** | 12.5 kg/day (Martian atmosphere) |
| **O₂ Production (Electrolysis)** | 45 kg/day (water splitting) |
| **CO₂ Removal (Habitat)** | 48 kg/day (crew metabolic) |
| **O₂ Recovery Rate** | 98.2% (from metabolic CO₂) |
| **Total O₂ Budget Margin** | +35% above consumption |
| **System Redundancy** | N+2 for critical paths |
| **ISRU Power Requirement** | 85 kW continuous |
| **ECLSS Power Requirement** | 42 kW continuous |
| **Buffer Storage** | 30-day O₂ reserve |
1. Mars Atmospheric Resource Analysis
1.1 Martian Atmosphere Composition
MARS ATMOSPHERIC COMPOSITION AND RESOURCE POTENTIAL
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════
ATMOSPHERIC PARAMETERS:
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ BASIC PROPERTIES: │
│ ├── Surface pressure: 600-1,000 Pa (average 636 Pa) │
│ │ [Earth: 101,325 Pa - Mars is 0.6% of Earth] │
│ ├── Surface temperature: -60°C average (range: -125°C to +20°C) │
│ ├── Scale height: 11.1 km (atmosphere extends higher than Earth's) │
│ └── Mean molecular weight: 43.34 g/mol │
│ │
│ COMPOSITION BY VOLUME: │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ COMPONENT │ VOLUME % │ MASS % │ RESOURCE VALUE │ │
│ │ ═══════════════╪═══════════╪═══════════╪═══════════════════════════│ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ CO₂ │ 95.32% │ 96.19% │ ████████████████████ │ │
│ │ Carbon dioxide │ │ │ PRIMARY: O₂ source, │ │
│ │ │ │ │ fuel production, plant │ │
│ │ │ │ │ feedstock │ │
│ │ ───────────────┼───────────┼───────────┼───────────────────────────│ │
│ │ N₂ │ 2.70% │ 1.73% │ ████░░░░░░░░░░░░░░░░ │ │
│ │ Nitrogen │ │ │ SECONDARY: Buffer gas, │ │
│ │ │ │ │ fertilizer production │ │
│ │ ───────────────┼───────────┼───────────┼───────────────────────────│ │
│ │ Ar │ 1.60% │ 1.46% │ ███░░░░░░░░░░░░░░░░░ │ │
│ │ Argon │ │ │ USEFUL: Inert atmosphere, │ │
│ │ │ │ │ welding, insulation │ │
│ │ ───────────────┼───────────┼───────────┼───────────────────────────│ │
│ │ O₂ │ 0.13% │ 0.10% │ █░░░░░░░░░░░░░░░░░░░ │ │
│ │ Oxygen │ │ │ MINIMAL: Direct use │ │
│ │ │ │ │ negligible │ │
│ │ ───────────────┼───────────┼───────────┼───────────────────────────│ │
│ │ CO │ 0.08% │ 0.05% │ ░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░ │ │
│ │ Carbon monox. │ │ │ TRACE: Fuel potential │ │
│ │ ───────────────┼───────────┼───────────┼───────────────────────────│ │
│ │ H₂O │ 0.03% │ 0.01% │ ░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░ │ │
│ │ Water vapor │ (variable)│ │ TRACE: Supplement only │ │
│ │ ───────────────┼───────────┼───────────┼───────────────────────────│ │
│ │ Other │ <0.01% │ <0.01% │ Ne, Kr, Xe, O₃ │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ ★ KEY INSIGHT: Mars atmosphere is 95%+ CO₂ - a concentrated feedstock │
│ for oxygen production via ISRU │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
SEASONAL AND DIURNAL VARIATIONS:
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ PRESSURE VARIATION (affects intake system design): │
│ │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ SEASON │ PRESSURE RANGE │ CAUSE │ │
│ │ ════════════════╪════════════════╪════════════════════════════════ │ │
│ │ Northern Summer │ 700-900 Pa │ CO₂ sublimation from south pole │ │
│ │ Northern Winter │ 500-700 Pa │ CO₂ deposition on south pole │ │
│ │ Diurnal (day) │ +5-10% │ Thermal expansion │ │
│ │ Diurnal (night) │ -5-10% │ Thermal contraction │ │
│ │ Dust storm │ +10-20% │ Dynamic pressure effects │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ DESIGN IMPLICATION: Intake systems must handle 500-1,000 Pa range │
│ with ±25% seasonal variation in throughput │
│ │
│ DUST LOADING: │
│ ├── Normal conditions: 0.5-2.0 particles/cm³ │
│ ├── Dust storm: 10-100 particles/cm³ │
│ ├── Particle size: 1-10 μm (mean ~3 μm) │
│ └── Composition: Iron oxides, silicates, perchlorates │
│ │
│ ⚠ CRITICAL: Perchlorate contamination must be removed before │
│ any atmospheric gases contact crew or life support │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
RESOURCE EXTRACTION POTENTIAL:
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ DAILY ATMOSPHERIC THROUGHPUT FOR ARES BASE NEEDS: │
│ │
│ Target: 12.5 kg O₂/day from ISRU (supplements water electrolysis) │
│ │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ MASS BALANCE │ │
│ │ │ │
│ │ To produce 12.5 kg O₂: │ │
│ │ │ │
│ │ CO₂ required: CO₂ → CO + O │ │
│ │ 44 g/mol 28 g/mol 16 g/mol │ │
│ │ │ │
│ │ O₂ production (2 O atoms): 2 CO₂ → 2 CO + O₂ │ │
│ │ 88 g 56 g 32 g │ │
│ │ │ │
│ │ For 12.5 kg O₂: │ │
│ │ ├── CO₂ input required: 34.4 kg/day │ │
│ │ ├── CO byproduct: 21.9 kg/day │ │
│ │ └── Atmospheric volume: ~16,000 m³/day at 636 Pa │ │
│ │ │ │
│ │ ════════════════════════════════════════════════════════════════ │ │
│ │ │ │
│ │ Intake flow rate required: 670 m³/hour = 186 L/second │ │
│ │ (At Mars atmospheric density of ~0.020 kg/m³) │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ CO BYPRODUCT UTILIZATION: │
│ ├── Fuel synthesis (Fischer-Tropsch): CO + H₂ → hydrocarbons │
│ ├── Methanol production: CO + 2H₂ → CH₃OH │
│ ├── Sabatier enhancement: CO + 3H₂ → CH₄ + H₂O │
│ └── Stored for emergency fuel cell feedstock │
│ │
│ ★ Zero-waste design: All products have valuable end uses │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════2. Atmospheric Intake and Preprocessing
2.1 Mars Atmosphere Collection System (MACS)
MARS ATMOSPHERE COLLECTION SYSTEM (MACS)
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════
SYSTEM OVERVIEW:
━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ ATMOSPHERIC INTAKE PROCESS FLOW │
│ │
│ │
│ MARS ATMOSPHERE │
│ (636 Pa, -60°C) │
│ │ │
│ ▼ │
│ ╔══════════════════╗ │
│ ║ DUST FILTER ║ Stage 1: Cyclonic separator │
│ ║ ASSEMBLY ║ ├── Removes 95% particles >5 μm │
│ ║ ║ └── Self-cleaning (vibration) │
│ ╚════════╤═════════╝ │
│ │ │
│ ▼ │
│ ╔══════════════════╗ │
│ ║ HEPA + ULPA ║ Stage 2: Fine particle removal │
│ ║ FILTRATION ║ ├── Removes 99.97% particles >0.3 μm │
│ ║ ║ └── Replaceable cartridges (90-day life) │
│ ╚════════╤═════════╝ │
│ │ │
│ ▼ │
│ ╔══════════════════╗ │
│ ║ COMPRESSION ║ Stage 3: Pressure boost │
│ ║ SYSTEM ║ ├── Multi-stage compressor │
│ ║ ║ ├── 636 Pa → 100 kPa (157:1 ratio) │
│ ║ (4-stage) ║ └── Intercooling between stages │
│ ╚════════╤═════════╝ │
│ │ Compression heat recovered │
│ │ for habitat heating │
│ ▼ │
│ ╔══════════════════╗ │
│ ║ DESICCANT ║ Stage 4: Water removal │
│ ║ DRYER ║ ├── Molecular sieve 3A │
│ ║ ║ ├── Removes H₂O to <10 ppm │
│ ╚════════╤═════════╝ └── Water recovered (small quantity) │
│ │ │
│ ▼ │
│ ╔══════════════════╗ │
│ ║ PERCHLORATE ║ Stage 5: Contaminant removal │
│ ║ SCRUBBER ║ ├── Activated carbon bed │
│ ║ ║ ├── Ion exchange resin │
│ ╚════════╤═════════╝ └── CRITICAL for crew safety │
│ │ │
│ ▼ │
│ ╔══════════════════╗ │
│ ║ GAS ║ Stage 6: Component separation │
│ ║ SEPARATION ║ ├── PSA or cryogenic separation │
│ ║ ║ ├── CO₂ to electrolysis (main stream) │
│ ╚════════╤═════════╝ ├── N₂/Ar to buffer gas storage │
│ │ └── Trace gases vented/stored │
│ │ │
│ ┌───────┴───────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │ │ │
│ ▼ ▼ ▼ ▼ │
│ ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐ │
│ │ CO₂ │ │ N₂ │ │ Ar │ │Trace │ │
│ │95.3% │ │ 2.7% │ │ 1.6% │ │ <1% │ │
│ └──┬───┘ └──┬───┘ └──┬───┘ └──────┘ │
│ │ │ │ │
│ ▼ ▼ ▼ │
│ ┌──────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
│ │ TO O₂ │ │ BUFFER GAS │ │ INDUSTRIAL │ │
│ │GENERATION│ │ STORAGE │ │ STORAGE │ │
│ └──────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
INTAKE UNIT SPECIFICATIONS:
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ PHYSICAL CONFIGURATION: │
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────┐ │
│ │ INTAKE TOWER (external) │ │
│ │ │ │
│ │ ┌───────────────────────────┐ │ │
│ │ │ ╱╲ ╱╲ ╱╲ ╱╲ │ │ ← Louvered intake │
│ │ │ ╱ ╲ ╱ ╲ ╱ ╲ ╱ ╲ │ │ (wind direction │
│ │ │ ╱ ╲╱ ╲╱ ╲╱ ╲ │ │ independent) │
│ │ └───────────────────────────┘ │ │
│ │ │ │ Height: 6m │
│ │ ┌──────────┴──────────┐ │ (above dust layer) │
│ │ │ CYCLONE SEPARATOR │ │ │
│ │ │ ┌─────────────┐ │ │ │
│ │ │ │ ╲ ╱ │ │ │ │
│ │ │ │ ╲ ╱ │ │ │ │
│ │ │ │ ╲ ╱ │ │ │ │
│ │ │ │ ╲ ╱ │ │ │ │
│ │ │ │ ▼ │ │ │ │
│ │ │ │ [dust] │ │ │ │
│ │ │ └─────────────┘ │ │ │
│ │ └─────────────────────┘ │ │
│ │ │ │ │
│ ───────┼──────────────┼──────────────────────┼─────── SURFACE │
│ │ │ │ │
│ │ ┌──────────┴──────────┐ │ │
│ │ │ HEPA FILTER BANK │ │ │
│ │ │ (underground) │ │ │
│ │ └──────────┬──────────┘ │ │
│ │ │ │ │
│ │ ┌──────────┴──────────┐ │ │
│ │ │ 4-STAGE COMPRESSOR│ │ │
│ │ │ (85 kW total) │ │ │
│ │ └──────────┬──────────┘ │ │
│ │ │ │ │
│ │ ▼ │ │
│ │ TO PROCESSING PLANT │ │
│ │ │ │
│ └─────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ SYSTEM PARAMETERS: │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ PARAMETER │ VALUE │ NOTES │ │
│ │ ═══════════════════════════╪════════════════════╪════════════════ │ │
│ │ Intake flow rate │ 670 m³/hr │ At Mars ambient │ │
│ │ Compressed output │ 4.3 m³/hr │ At 100 kPa │ │
│ │ Mass flow rate │ 13.4 kg/hr │ Raw atmosphere │ │
│ │ CO₂ delivered │ 12.8 kg/hr │ 95% purity │ │
│ │ Compression ratio │ 157:1 │ 4 stages │ │
│ │ Power consumption │ 62 kW │ Compressors only │ │
│ │ Heat recovery │ 45 kW thermal │ To habitat │ │
│ │ Filter replacement │ 90 days │ HEPA cartridges │ │
│ │ Dust collected │ 0.5 kg/day │ To regolith pile │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ REDUNDANCY: │
│ ├── 2 complete intake units installed (N+1 redundancy) │
│ ├── Each unit rated at 100% capacity │
│ ├── Automatic switchover on failure │
│ └── Units alternate operation for wear leveling │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════2.2 Gas Separation System
ATMOSPHERIC GAS SEPARATION UNIT
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════
SEPARATION TECHNOLOGIES:
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ PRIMARY METHOD: PRESSURE SWING ADSORPTION (PSA) │
│ │
│ Advantages: Disadvantages: │
│ ├── No cryogenic equipment ├── Lower purity than cryogenic │
│ ├── Rapid startup/shutdown ├── Higher adsorbent consumption │
│ ├── Lower capital cost └── Requires regeneration energy │
│ ├── Proven ISS heritage │
│ └── Modular scaling │
│ │
│ PSA CYCLE (4-Bed System): │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ TIME → 0 15 30 45 60 75 90 105 120 sec │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ BED A: │ADSRB│ADSRB│DEPRS│PURGE│REPRS│ADSRB│ADSRB│DEPRS│PURGE │ │
│ │ BED B: │DEPRS│PURGE│REPRS│ADSRB│ADSRB│DEPRS│PURGE│REPRS│ADSRB │ │
│ │ BED C: │REPRS│ADSRB│ADSRB│DEPRS│PURGE│REPRS│ADSRB│ADSRB│DEPRS │ │
│ │ BED D: │PURGE│REPRS│ADSRB│ADSRB│DEPRS│PURGE│REPRS│ADSRB│ADSRB │ │
│ │ │ │
│ │ ADSRB = Adsorption (N₂/Ar captured, CO₂ passes through) │ │
│ │ DEPRS = Depressurization (release captured gases) │ │
│ │ PURGE = Purge with product CO₂ │ │
│ │ REPRS = Repressurization │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ ADSORBENT SPECIFICATIONS: │
│ ├── Material: Zeolite 13X (CO₂ selective) │
│ ├── Bed mass: 150 kg per bed (600 kg total) │
│ ├── Operating temperature: 25-40°C │
│ ├── Cycle time: 120 seconds complete │
│ └── Replacement interval: 3 years │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ SECONDARY METHOD: CRYOGENIC SEPARATION (Backup/High-Purity) │
│ │
│ BOILING POINTS AT 100 kPa: │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ GAS │ BOILING POINT │ SEPARATION STRATEGY │ │
│ │ ═════════╪═══════════════╪═════════════════════════════════════════│ │
│ │ CO₂ │ -78.5°C │ Solidifies first (dry ice) │ │
│ │ Ar │ -185.8°C │ Condenses between N₂ and O₂ │ │
│ │ O₂ │ -183.0°C │ (minimal in feed) │ │
│ │ N₂ │ -195.8°C │ Last to condense │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ CRYOGENIC SEPARATION COLUMN: │
│ │
│ Feed gas (25°C) │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌───────────────┐ │
│ │ HEAT EXCH 1 │ ← Precool with cold products │
│ │ 25°C → 0°C │ │
│ └───────┬───────┘ │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌───────────────┐ │
│ │ HEAT EXCH 2 │ │
│ │ 0°C → -60°C │ │
│ └───────┬───────┘ │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌───────────────┐ ┌─────────────┐ │
│ │ CO₂ FREEZE │────►│ SOLID CO₂ │ (dry ice) │
│ │ CHAMBER │ │ STORAGE │ │
│ │ -78 to -90°C │ └─────────────┘ │
│ └───────┬───────┘ │
│ │ (N₂/Ar gas continues) │
│ ▼ │
│ ┌───────────────┐ │
│ │ DISTILLATION │ │
│ │ COLUMN │ │
│ │ -180 to -196°C│ │
│ └───────┬───────┘ │
│ ┌─────────┴─────────┐ │
│ │ │ │
│ ▼ ▼ │
│ ┌──────────┐ ┌──────────┐ │
│ │ Ar │ │ N₂ │ │
│ │ (liquid) │ │ (liquid) │ │
│ └──────────┘ └──────────┘ │
│ │
│ CRYOGENIC SYSTEM SPECIFICATIONS: │
│ ├── Cooling power: 15 kW │
│ ├── Operating temperature: -196°C │
│ ├── CO₂ purity output: 99.9% │
│ ├── N₂ purity output: 99.5% │
│ ├── Ar purity output: 99% │
│ └── Use case: When highest purity needed (laboratory, specialty gases) │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
SEPARATION PRODUCTS OUTPUT:
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ DAILY PRODUCTION FROM ATMOSPHERIC PROCESSING: │
│ │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ PRODUCT │ QUANTITY │ PURITY │ PRIMARY USE │ │
│ │ ═══════════╪═══════════════╪══════════╪═══════════════════════════│ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ CO₂ │ 307 kg/day │ 99%+ │ O₂ production (SOXE) │ │
│ │ │ │ │ Greenhouse supplement │ │
│ │ │ │ │ Sabatier reactor feed │ │
│ │ ───────────┼───────────────┼──────────┼───────────────────────────│ │
│ │ N₂ │ 8.7 kg/day │ 99% │ Habitat buffer gas │ │
│ │ │ │ │ Leak makeup (0.5%/day) │ │
│ │ │ │ │ Fertilizer production │ │
│ │ ───────────┼───────────────┼──────────┼───────────────────────────│ │
│ │ Ar │ 5.1 kg/day │ 95% │ Welding operations │ │
│ │ │ │ │ Inert atmosphere work │ │
│ │ │ │ │ Window insulation │ │
│ │ ───────────┼───────────────┼──────────┼───────────────────────────│ │
│ │ TOTAL │ 321 kg/day │ │ From ~16,000 m³ Mars atm │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ STORAGE CAPACITY: │
│ ├── CO₂ buffer tank: 2,000 kg (6.5 days production) │
│ ├── N₂ storage: 500 kg (57 days production) │
│ └── Ar storage: 200 kg (39 days production) │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════3. Oxygen Generation from Martian CO₂
3.1 Solid Oxide Electrolysis (SOXE) System
SOLID OXIDE CO₂ ELECTROLYSIS PLANT
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════
TECHNOLOGY OVERVIEW:
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ PRINCIPLE: High-temperature electrolysis of CO₂ │
│ │
│ REACTION: 2 CO₂ → 2 CO + O₂ │
│ │
│ (44×2) (28×2) (32) [g/mol] │
│ 88g → 56g + 32g │
│ │
│ THERMODYNAMICS: │
│ ├── ΔH (enthalpy): +283 kJ/mol O₂ produced │
│ ├── Operating temperature: 800-850°C │
│ ├── Theoretical voltage: 1.33 V (at 800°C) │
│ ├── Practical voltage: 1.5-2.0 V (with overpotentials) │
│ └── Energy efficiency: 65-75% │
│ │
│ HERITAGE: MOXIE (Mars Oxygen ISRU Experiment) - Perseverance Rover │
│ ├── MOXIE production: 10 g O₂/hr (proof of concept) │
│ └── ARES SOXE production: 520 g O₂/hr (52× scale-up) │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
SOXE CELL STACK ARCHITECTURE:
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ SINGLE CELL CROSS-SECTION │
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ ───────────────────────── │ │
│ │ │ INTERCONNECT │ ← Stainless steel │ │
│ │ │ (electrical + │ Flow channels for CO₂ │ │
│ │ │ gas flow) │ │ │
│ │ ───────────────────────── │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ ┌──────┴─────┴──────┐ │ │
│ │ CO₂ + 2e⁻ → │ CATHODE │ ← Ni-YSZ cermet │ │
│ │ CO + O²⁻ │ (40-50 μm) │ (reduction occurs) │ │
│ │ └─────────┬─────────┘ │ │
│ │ │ O²⁻ ions │ │
│ │ ┌─────────┴─────────┐ │ │
│ │ │ ELECTROLYTE │ ← YSZ (Yttria-stabilized │ │
│ │ │ (10-20 μm) │ zirconia) │ │
│ │ └─────────┬─────────┘ O²⁻ conductor │ │
│ │ │ O²⁻ ions │ │
│ │ ┌─────────┴─────────┐ │ │
│ │ O²⁻ → ½O₂ │ ANODE │ ← LSM-YSZ composite │ │
│ │ + 2e⁻ │ (40-50 μm) │ (oxidation occurs) │ │
│ │ └───────────────────┘ │ │
│ │ ───────────────────────── │ │
│ │ │ INTERCONNECT │ │ │
│ │ ───────────────────────── │ │
│ │ │ │
│ │ CELL DIMENSIONS: 100mm × 100mm active area │ │
│ │ CELL THICKNESS: 2mm total │ │
│ │ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ STACK CONFIGURATION: │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ ┌───────────────────────┐ │ │
│ │ │ END PLATE │ │ │
│ │ ├───────────────────────┤ │ │
│ │ │ CELL 1 │ │ │
│ │ ├───────────────────────┤ │ │
│ │ │ CELL 2 │ │ │
│ │ ├───────────────────────┤ │ │
│ │ │ ... │ ← 75 cells per stack │ │
│ │ ├───────────────────────┤ │ │
│ │ │ CELL 75 │ │ │
│ │ ├───────────────────────┤ │ │
│ │ │ END PLATE │ │ │
│ │ └───────────────────────┘ │ │
│ │ │ │
│ │ Stack voltage: 75 cells × 1.7V = 127.5 V │ │
│ │ Stack current: 50 A │ │
│ │ Stack power: 6.4 kW │ │
│ │ Stack O₂ production: 65 g/hr │ │
│ │ │ │
│ │ TOTAL SYSTEM: 8 stacks = 520 g O₂/hr = 12.5 kg O₂/day │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
COMPLETE SOXE PLANT LAYOUT:
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ SOXE PLANT PROCESS FLOW │
│ │
│ │
│ FROM SEPARATION │
│ │ │
│ CO₂ (99%+) │
│ 100 kPa, 25°C │
│ │ │
│ ▼ │
│ ╔═══════════════╗ │
│ ║ CO₂ BUFFER ║ Capacity: 500 kg │
│ ║ TANK ║ Provides steady feed │
│ ╚═══════╤═══════╝ │
│ │ │
│ ▼ │
│ ╔═══════════════╗ ╔═══════════════╗ │
│ ║ FLOW ║ ║ ELECTRICAL ║ │
│ ║ CONTROL ║◄────►║ CONTROL ║ │
│ ║ (Mass flow ║ ║ (Power ║ │
│ ║ controllers)║ ║ conditioning)║ │
│ ╚═══════╤═══════╝ ╚═══════════════╝ │
│ │ │ │
│ │ DC Power 51 kW │
│ ▼ │ │
│ ╔═══════════════╗ │ │
│ ║ PREHEAT ║ │ │
│ ║ HEAT EXCH ║←───────────┼─── Hot exhaust (recuperation) │
│ ║ 25°C → 600°C ║ │ │
│ ╚═══════╤═══════╝ │ │
│ │ │ │
│ ▼ │ │
│ ╔═══════════════╗ │ │
│ ║ ELECTRIC ║ │ │
│ ║ HEATER ║◄───────────┘ (startup & trim heating) │
│ ║ 600°C → 800°C║ │
│ ╚═══════╤═══════╝ │
│ │ │
│ │ CO₂ at 800°C │
│ │ │
│ ▼ │
│ ╔══════════════════════════════════════════════╗ │
│ ║ ║ │
│ ║ SOXE STACK ARRAY ║ │
│ ║ ║ │
│ ║ ┌────────┐ ┌────────┐ ┌────────┐ ┌────────┐ ║ │
│ ║ │Stack 1 │ │Stack 2 │ │Stack 3 │ │Stack 4 │ ║ │
│ ║ │ 6.4 kW │ │ 6.4 kW │ │ 6.4 kW │ │ 6.4 kW │ ║ │
│ ║ └────┬───┘ └────┬───┘ └────┬───┘ └────┬───┘ ║ │
│ ║ │ │ │ │ ║ │
│ ║ ┌────────┐ ┌────────┐ ┌────────┐ ┌────────┐ ║ │
│ ║ │Stack 5 │ │Stack 6 │ │Stack 7 │ │Stack 8 │ ║ │
│ ║ │ 6.4 kW │ │ 6.4 kW │ │ 6.4 kW │ │ 6.4 kW │ ║ │
│ ║ └────┬───┘ └────┬───┘ └────┬───┘ └────┬───┘ ║ │
│ ║ │ │ │ │ ║ │
│ ║ └──────────┴──────────┴──────────┘ ║ │
│ ║ │ ║ │
│ ║ TOTAL: 51 kW electrical → 12.5 kg O₂/day ║ │
│ ║ ║ │
│ ╚══════════════════════╤═══════════════════════╝ │
│ │ │
│ ┌──────────────┼──────────────┐ │
│ │ │ │ │
│ ▼ ▼ ▼ │
│ ┌──────────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────────┐ │
│ │ CO + CO₂ │ │ O₂ │ │ HEAT │ │
│ │ EXHAUST │ │ OUTPUT │ │ OUTPUT │ │
│ │ (800°C) │ │ (800°C) │ │ (800°C) │ │
│ └──────┬───────┘ └─────┬────┘ └──────┬───────┘ │
│ │ │ │ │
│ ▼ │ ▼ │
│ ╔══════════════╗ │ ╔══════════════╗ │
│ ║ CO₂/CO ║ │ ║ HEAT ║ │
│ ║ SEPARATOR ║ │ ║ RECOVERY ║ → 35 kW thermal │
│ ╚═══════╤══════╝ │ ╚══════════════╝ (habitat heating) │
│ │ │ │
│ ┌─────┴─────┐ │ │
│ │ │ │ │
│ ▼ ▼ ▼ │
│ ┌────────┐ ┌────────┐ ╔══════════════╗ │
│ │CO₂ │ │ CO │ ║ O₂ ║ │
│ │recycle │ │STORAGE │ ║ COOLING & ║ │
│ │ │ │ │ ║ COMPRESSION ║ │
│ │(back to│ │21.9 kg │ ║ ║ │
│ │ input) │ │/day │ ║ 800°C → 25°C║ │
│ └────────┘ └────────┘ ║ 0.1 → 20 MPa║ │
│ ╚══════╤═══════╝ │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌──────────────┐ │
│ │ O₂ STORAGE │ │
│ │ TANKS │ │
│ │ │ │
│ │ 12.5 kg/day │ │
│ │ to storage │ │
│ └──────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
SOXE SYSTEM SPECIFICATIONS:
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ PERFORMANCE PARAMETERS: │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ PARAMETER │ VALUE │ NOTES │ │
│ │ ══════════════════════════════╪═══════════════════╪════════════════│ │
│ │ O₂ production rate │ 12.5 kg/day │ Design point │ │
│ │ CO byproduct rate │ 21.9 kg/day │ Stored for fuel│ │
│ │ CO₂ consumption │ 34.4 kg/day │ From MACS │ │
│ │ Electrical power (stacks) │ 51 kW │ 8 stacks │ │
│ │ Electrical power (BOP) │ 8 kW │ Pumps, control │ │
│ │ Total electrical power │ 59 kW │ │ │
│ │ Thermal output (recoverable) │ 35 kW │ To habitat │ │
│ │ Energy per kg O₂ │ 113 kWh/kg │ Gross │ │
│ │ Energy per kg O₂ │ 80 kWh/kg │ Net (w/ heat) │ │
│ │ Operating temperature │ 800-850°C │ │ │
│ │ Operating pressure │ 100 kPa │ Atmospheric │ │
│ │ CO₂ conversion (single pass) │ 50% │ Unconverted │ │
│ │ │ │ recycled │ │
│ │ System availability │ 95% │ With maint. │ │
│ │ Design lifetime │ 10 years │ Stack replace │ │
│ │ │ │ at 5 years │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ MASS & VOLUME: │
│ ├── SOXE stacks (8 units): 320 kg │
│ ├── Hot zone enclosure: 180 kg │
│ ├── Heat exchangers: 250 kg │
│ ├── Control systems: 80 kg │
│ ├── Piping & valves: 150 kg │
│ ├── Structure & insulation: 200 kg │
│ └── TOTAL SYSTEM MASS: 1,180 kg │
│ │
│ FOOTPRINT: 3m × 4m × 2.5m (including maintenance access) │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════4. Habitat CO₂ Scrubbing System
4.1 Metabolic CO₂ Management
HABITAT CO₂ REMOVAL AND PROCESSING SYSTEM
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════
CREW METABOLIC PARAMETERS:
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ RESPIRATORY EXCHANGE: │
│ │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ PARAMETER │ PER PERSON │ 40-PERSON CREW │ │
│ │ ═══════════════════════╪═════════════════╪═════════════════════════│ │
│ │ O₂ consumption │ 0.84 kg/day │ 33.6 kg/day │ │
│ │ CO₂ production │ 1.00 kg/day │ 40.0 kg/day │ │
│ │ Respiratory quotient │ 0.87 │ (CO₂/O₂ molar ratio) │ │
│ │ Metabolic heat │ 100 W average │ 4.0 kW total │ │
│ │ Water vapor │ 1.8 kg/day │ 72 kg/day │ │
│ │ │ │
│ │ ACTIVITY VARIATION: │ │
│ │ ├── Sleeping: 0.6 kg CO₂/day │ │
│ │ ├── Light work: 1.0 kg CO₂/day │ │
│ │ ├── Heavy work: 2.0 kg CO₂/day │ │
│ │ └── EVA (in suit): 1.5 kg CO₂/day │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ ATMOSPHERIC LIMITS: │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ CO₂ LEVEL │ PARTIAL PRESSURE │ EFFECTS │ │
│ │ ════════════════╪══════════════════╪═══════════════════════════════│ │
│ │ Normal (Earth) │ 0.04 kPa │ No effects │ │
│ │ Target (habitat)│ 0.4 kPa │ No effects, safe long-term │ │
│ │ Maximum normal │ 0.7 kPa │ Mild effects possible │ │
│ │ Alert threshold │ 1.0 kPa │ Headache, reduced cognition │ │
│ │ Danger │ 2.0 kPa │ Serious impairment │ │
│ │ Critical │ 4.0 kPa │ Life-threatening │ │
│ │ │ │
│ │ ★ DESIGN TARGET: Maintain <0.5 kPa under all conditions │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ REMOVAL RATE REQUIREMENT: │
│ ├── Normal operations: 40 kg CO₂/day (40 crew) │
│ ├── Surge capacity: 60 kg CO₂/day (60 crew + margin) │
│ ├── Emergency mode: 20 kg CO₂/day (minimal crew, sheltering) │
│ └── System design: 48 kg/day capacity (+20% margin) │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
PRIMARY SYSTEM: 4-BED MOLECULAR SIEVE (4BMS):
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ TECHNOLOGY: Regenerable zeolite adsorption (ISS CDRA heritage) │
│ │
│ OPERATING PRINCIPLE: │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ 1. CO₂ ADSORPTION: Zeolite 13X preferentially adsorbs CO₂ │ │
│ │ at low temperature and high pressure │ │
│ │ │ │
│ │ 2. REGENERATION: Heating zeolite + vacuum releases CO₂ │ │
│ │ (Thermal Swing + Pressure Swing Adsorption) │ │
│ │ │ │
│ │ 3. WATER PRE-REMOVAL: Zeolite 5A removes water before CO₂ beds │ │
│ │ (water would poison CO₂ adsorbent) │ │
│ │ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ 4-BED SYSTEM SCHEMATIC: │
│ │
│ CABIN AIR │
│ (0.5 kPa CO₂) │
│ │ │
│ ▼ │
│ ╔══════════════╗ │
│ ║ BLOWER ║ Flow: 50 m³/min (process 15× cabin volume/hour) │
│ ╚══════╤═══════╝ │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ DESICCANT BEDS │ │
│ │ (Water removal - protects CO₂ beds) │ │
│ │ │ │
│ │ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │ │
│ │ │ BED A │ │ BED B │ │ │
│ │ │ (Zeolite │ │ (Zeolite │ │ │
│ │ │ 5A) │ │ 5A) │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ ADSORBING │ │ DESORBING │ │ │
│ │ │ H₂O │ │ (heated) │ │ │
│ │ │ ↓ │ │ ↓ │ │ │
│ │ └──────┬──────┘ └──────┬──────┘ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ │ Dry air H₂O to│recovery │ │
│ │ ▼ ▼ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ CO₂ BEDS │ │
│ │ (Carbon dioxide removal - main function) │ │
│ │ │ │
│ │ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │ │
│ │ │ BED C │ │ BED D │ │ │
│ │ │ (Zeolite │ │ (Zeolite │ │ │
│ │ │ 13X) │ │ 13X) │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ ADSORBING │ │ DESORBING │ │ │
│ │ │ CO₂ │ │ (heated + │ │ │
│ │ │ ↓ │ │ vacuum) │ │ │
│ │ └──────┬──────┘ └──────┬──────┘ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ │ Clean air CO₂ to│electrolysis │ │
│ │ ▼ ▼ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │ │ │
│ ▼ ▼ │
│ RETURN TO CABIN TO CO₂ PROCESSING │
│ (<0.1 kPa CO₂) (concentrated CO₂) │
│ │
│ CYCLE TIMING: │
│ ├── Adsorption half-cycle
User:I am working on this task: "Develop Closed-Loop Life Support and Food Production" - Create sustainable life support systems achieving 95%+ resource recycling for water, oxygen, and waste processing. Design agricultural systems capable of providing 50%+ of nutritional needs within first year, scaling to 90%+ by year three. Must support 40 colonists with redundancy and growth capacity.
Please help me complete this specific subtask: "Design 98% efficient water reclamation from all sources"
Be thorough and detailed in your response.
AI:AI Thinking Trace
The user is asking me to help design a 98% efficient water reclamation system for a Mars colony supp...
Created by Erik Bethke in Bike4Mind using the QuestMaster deep agentic flow + Claude Opus 4.5 by Anthropic