ARES PROGRAM: Precursor ISRU Demonstration Mission
In-Situ Resource Utilization Validation & Propellant Production Plant
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Contains Technical Diagrams
1 AI Thinking Trace
# ARES PROGRAM: Precursor ISRU Demonstration Mission
In-Situ Resource Utilization Validation & Propellant Production Plant
📋 Mission Package Executive Summary
| Program Element | Specification |
|---|---|
| **Mission Designation** | ARES-ISRU-1 "PROMETHEUS" |
| **Mission Type** | Landed ISRU demonstration and production plant |
| **Launch Window** | T-30 to T-26 months before human arrival |
| **Landing Site** | Primary ARES Base location (ice-rich region) |
| **Operational Duration** | 26+ months (through human arrival and beyond) |
| **Primary Objectives** | Validate fuel production, water extraction, oxygen generation |
| **Production Targets** | 10 tonnes LOX, 2.5 tonnes LCH₄, 5 tonnes water (pre-positioned) |
| **Power System** | 40 kWe Kilopower fission reactors (4 units) |
| **Launch Vehicle** | Falcon Heavy Expendable or Starship cargo variant |
| **Total Landed Mass** | 8,200 kg |
Mission Architecture Overview
ARES-ISRU-1 PROMETHEUS: MISSION ARCHITECTURE
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════
MISSION CONCEPT
━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ ISRU VALIDATION PHILOSOPHY │
│ │
│ The PROMETHEUS mission serves three critical functions: │
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ 1. TECHNOLOGY VALIDATION │ │
│ │ ───────────────────────── │ │
│ │ • Prove ISRU systems work in actual Mars conditions │ │
│ │ • Validate production rates match theoretical models │ │
│ │ • Identify and resolve operational issues before crew arrival │ │
│ │ • Demonstrate autonomous operations over extended periods │ │
│ │ │ │
│ │ 2. RESOURCE PRE-POSITIONING │ │
│ │ ─────────────────────────── │ │
│ │ • Produce and store propellant for crew ascent vehicle │ │
│ │ • Generate water reserve for initial crew consumption │ │
│ │ • Create oxygen buffer for habitat atmosphere │ │
│ │ • Reduce crew mission risk by having resources ready │ │
│ │ │ │
│ │ 3. INFRASTRUCTURE EMPLACEMENT │ │
│ │ ───────────────────────────── │ │
│ │ • Deploy power systems that will support base operations │ │
│ │ • Establish propellant storage and transfer infrastructure │ │
│ │ • Create water processing capability for expansion │ │
│ │ • Position equipment for crew to scale up production │ │
│ │ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
PRODUCTION REQUIREMENTS ANALYSIS
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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ PROPELLANT PRODUCTION TARGETS (Methalox: CH₄ + O₂) │
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ MISSION REQUIREMENT DERIVATION │ │
│ │ ────────────────────────────── │ │
│ │ │ │
│ │ Mars Ascent Vehicle (MAV) propellant requirement: │ │
│ │ │ │
│ │ ┌────────────────────────┬────────────────────────────────────┐ │ │
│ │ │ Mission Phase │ Propellant Required │ │ │
│ │ ├────────────────────────┼────────────────────────────────────┤ │ │
│ │ │ Mars surface → orbit │ 33 tonnes (crew + samples) │ │ │
│ │ │ Contingency reserve │ 10% = 3.3 tonnes │ │ │
│ │ │ Boiloff losses (2 yr) │ ~5% = 1.8 tonnes │ │ │
│ │ │ Transfer/loading loss │ ~2% = 0.7 tonnes │ │ │
│ │ ├────────────────────────┼────────────────────────────────────┤ │ │
│ │ │ TOTAL REQUIRED │ ~39 tonnes │ │ │
│ │ └────────────────────────┴────────────────────────────────────┘ │ │
│ │ │ │
│ │ Oxidizer:Fuel ratio (LOX:LCH₄) = 3.6:1 by mass │ │
│ │ │ │
│ │ ┌──────────────┬──────────────┬───────────────────────────────┐ │ │
│ │ │ Product │ Mass Required│ PROMETHEUS Target (Demo) │ │ │
│ │ ├──────────────┼──────────────┼───────────────────────────────┤ │ │
│ │ │ LOX (O₂) │ 30.5 tonnes │ 10 tonnes (33% of need) │ │ │
│ │ │ LCH₄ │ 8.5 tonnes │ 2.5 tonnes (29% of need) │ │ │
│ │ │ Water │ 15 tonnes* │ 5 tonnes (33% of need) │ │ │
│ │ └──────────────┴──────────────┴───────────────────────────────┘ │ │
│ │ │ │
│ │ *Water for ISRU hydrogen source + crew consumption reserve │ │
│ │ │ │
│ │ PROMETHEUS produces ~30% of total propellant need as demo │ │
│ │ Full-scale plant (ARES-ISRU-2) lands T-18 months for remainder │ │
│ │ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ ─────────────────────────────────────────────────────────────────────────│
│ │
│ PRODUCTION RATE REQUIREMENTS │
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ Available production time: 26 months (780 sols) │ │
│ │ Operational duty cycle: 85% (maintenance, dust storms, etc.) │ │
│ │ Effective production time: 663 sols │ │
│ │ │ │
│ │ ┌──────────────────┬────────────────┬────────────────────────┐ │ │
│ │ │ Product │ Daily Rate │ Hourly Rate │ │ │
│ │ ├──────────────────┼────────────────┼────────────────────────┤ │ │
│ │ │ LOX │ 15.1 kg/sol │ 0.63 kg/hr │ │ │
│ │ │ LCH₄ │ 3.8 kg/sol │ 0.16 kg/hr │ │ │
│ │ │ Water (extracted)│ 7.5 kg/sol │ 0.31 kg/hr │ │ │
│ │ └──────────────────┴────────────────┴────────────────────────┘ │ │
│ │ │ │
│ │ Design margin: 2× production rate capability for schedule margin │ │
│ │ Actual design rate: ~30 kg LOX/sol, 8 kg CH₄/sol, 15 kg H₂O/sol │ │
│ │ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
MISSION TIMELINE
━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ PROMETHEUS MISSION PHASES (Relative to Human Landing T-0) │
│ │
│ T-30 months ──┬── LAUNCH (Mars 2028 window) │
│ │ └── Falcon Heavy Expendable, direct Mars injection │
│ │ │
│ T-30 to T-22 ─┼── CRUISE PHASE (8 months) │
│ │ ├── Trajectory correction maneuvers │
│ │ ├── System health checks │
│ │ └── Landing site final confirmation from orbiters │
│ │ │
│ T-22 months ──┼── MARS ARRIVAL & EDL │
│ │ ├── Aerocapture not used (direct entry) │
│ │ ├── Supersonic retropropulsion landing │
│ │ └── Precision landing within 100m of target │
│ │ │
│ T-22 to T-20 ─┼── INITIAL DEPLOYMENT (60 sols) │
│ │ ├── Sol 1-3: Post-landing health assessment │
│ │ ├── Sol 4-10: Solar array deployment (backup power) │
│ │ ├── Sol 11-30: Kilopower reactor deployment │
│ │ ├── Sol 31-45: ISRU system unpacking and setup │
│ │ └── Sol 46-60: System integration and testing │
│ │ │
│ T-20 months ──┼── COMMISSIONING PHASE │
│ │ ├── Atmospheric processing validation │
│ │ ├── Ice excavation system tests │
│ │ ├── Water extraction verification │
│ │ └── Propellant synthesis initiation │
│ │ │
│ T-18 months ──┼── FULL PRODUCTION OPERATIONS BEGIN │
│ │ └── Continuous autonomous production mode │
│ │ │
│ T-12 months ──┼── PRODUCTION MILESTONE 1 │
│ │ ├── 5 tonnes LOX produced and stored │
│ │ ├── 1.25 tonnes LCH₄ produced and stored │
│ │ └── 2.5 tonnes water extracted and purified │
│ │ │
│ T-6 months ───┼── PRODUCTION MILESTONE 2 │
│ │ ├── Full target quantities achieved │
│ │ ├── System validated for continuous operations │
│ │ └── Ready for crew arrival │
│ │ │
│ T-0 ──────────┼── HUMAN LANDING │
│ │ ├── Propellant reserves verified and ready │
│ │ ├── Water supply available for crew │
│ │ └── ISRU plant handed over to crew operations │
│ │ │
│ T+6 months ───┴── CONTINUOUS OPERATIONS │
│ └── Ongoing production supporting base expansion │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════Spacecraft & Landing System Design
PROMETHEUS LANDER: DETAILED SPECIFICATIONS
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════
LANDER ARCHITECTURE
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ PROMETHEUS LANDER CONFIGURATION │
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ STOWED CONFIGURATION (Launch) │ │
│ │ │ │
│ │ ┌─────────────┐ │ │
│ │ │ Aeroshell │ │ │
│ │ │ (4.5 m) │ │ │
│ │ ┌────┴─────────────┴────┐ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ │ ┌───────────┐ │ │ │
│ │ │ │ ISRU │ │ │ │
│ │ │ │ PLANT │ │ │ │
│ │ │ │ (stowed) │ │ │ │
│ │ │ └───────────┘ │ │ │
│ │ │ ┌──┐ ┌──┐ │ │ │
│ │ │ │KP│ │KP│ │ ← Kilopower units │ │
│ │ │ └──┘ └──┘ │ (4 total) │ │
│ │ │ ┌────┐ ┌────┐ │ │ │
│ │ │ │Tank│ │Tank│ │ ← Propellant storage │ │
│ │ │ └────┘ └────┘ │ │ │
│ │ │ ▼▼▼ │ │ │
│ │ │ [ENGINES] │ │ │
│ │ └───────────────────────┘ │ │
│ │ │ │
│ │ ─────────────────────────────────────────────────────────────────│ │
│ │ │ │
│ │ DEPLOYED CONFIGURATION (Surface) │ │
│ │ │ │
│ │ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ │ [SOLAR ARRAY - 150 m²] │ │ │
│ │ │ (backup/supplemental power) │ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ │ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ │ │ │
│ │ │ │ KP │ │ KP │ │ KP │ ┌───┐ │ │ │
│ │ │ │ #1 │ │ #2 │ │ #3 │ │#4 │ │ │ │
│ │ │ └──┬──┘ └──┬──┘ └──┬──┘ └─┬─┘ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ └────────┬────────┴────────┬───────┴──────┘ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ ┌──────┴─────────────────┴──────┐ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ LANDER PLATFORM │ │ │ │
│ │ │ │ ┌────────────────────────┐ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ ISRU PLANT │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ (see detail below) │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ └────────────────────────┘ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ ┌──────────────────────────┐ │ │ │ │
│ │ │ │ │ PROPELLANT STORAGE │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ ┌─────┐ ┌─────┐ │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ LOX │ │ CH₄ │ [H₂O] │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │TANK │ │TANK │ TANK │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ └─────┘ └─────┘ │ │ │ │ │
│ │ │ │ └──────────────────────────┘ │ │ │ │
│ │ │ │ ▲ ▲ ▲ ▲ │ │ │ │
│ │ │ │ LANDING LEGS (4) │ │ │ │
│ │ │ └───────────────────────────────┘ │ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ │ ═══════════ MARS SURFACE ═══════════════════ │ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ │ [Ice excavation zone: 50m radius] │ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │ │
│ │ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
MASS BREAKDOWN
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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ PROMETHEUS LANDER MASS BUDGET │
│ │
│ ┌────────────────────────────────────┬───────────┬────────────────────┐ │
│ │ System │ Mass (kg) │ Notes │ │
│ ├────────────────────────────────────┼───────────┼────────────────────┤ │
│ │ STRUCTURES & MECHANISMS │ │ │ │
│ │ Lander platform │ 420 │ Aluminum-lithium │ │
│ │ Landing legs (4) │ 180 │ Carbon composite │ │
│ │ Deployment mechanisms │ 85 │ │ │
│ │ Thermal protection │ 120 │ │ │
│ │ Subtotal │ 805 │ │ │
│ ├────────────────────────────────────┼───────────┼────────────────────┤ │
│ │ PROPULSION (EDL) │ │ │ │
│ │ Main engines (6× SuperDraco) │ 330 │ 6× 73 kN thrust │ │
│ │ Propellant tanks │ 180 │ MMH/NTO │ │
│ │ Landing propellant │ 1,850 │ For powered descent│ │
│ │ RCS system │ 95 │ │ │
│ │ Subtotal │ 2,455 │ │ │
│ ├────────────────────────────────────┼───────────┼────────────────────┤ │
│ │ POWER SYSTEMS │ │ │ │
│ │ Kilopower reactors (4× 10 kWe) │ 1,600 │ 400 kg each │ │
│ │ Solar arrays (backup, 150 m²) │ 180 │ 15 kW supplemental │ │
│ │ Power distribution │ 120 │ │ │
│ │ Batteries (backup) │ 85 │ │ │
│ │ Subtotal │ 1,985 │ │ │
│ ├────────────────────────────────────┼───────────┼────────────────────┤ │
│ │ ISRU PLANT │ │ │ │
│ │ Atmospheric processing unit │ 380 │ CO₂ capture + MOXIE│ │
│ │ Sabatier reactor system │ 220 │ CH₄ production │ │
│ │ Water electrolysis unit │ 165 │ H₂ + O₂ generation │ │
│ │ Ice excavation rover │ 340 │ Autonomous mining │ │
│ │ Water extraction/purification │ 210 │ Ice → potable H₂O │ │
│ │ Cryogenic cooling system │ 185 │ Liquefaction │ │
│ │ Propellant storage tanks │ 420 │ LOX + LCH₄ + H₂O │ │
│ │ Piping, valves, instrumentation │ 180 │ │ │
│ │ Subtotal │ 2,100 │ │ │
│ ├────────────────────────────────────┼───────────┼────────────────────┤ │
│ │ AVIONICS & COMMUNICATIONS │ │ │ │
│ │ Flight computers (redundant) │ 35 │ │ │
│ │ Communications (X-band, UHF) │ 45 │ │ │
│ │ Navigation sensors │ 40 │ │ │
│ │ Cameras and monitoring │ 25 │ │ │
│ │ Subtotal │ 145 │ │ │
│ ├────────────────────────────────────┼───────────┼────────────────────┤ │
│ │ MARGIN & CONTINGENCY │ │ │ │
│ │ System margin (15%) │ 710 │ │ │
│ ├────────────────────────────────────┼───────────┼────────────────────┤ │
│ │ TOTAL LANDED MASS │ 8,200 │ │ │
│ ├────────────────────────────────────┼───────────┼────────────────────┤ │
│ │ ENTRY SYSTEM │ │ │ │
│ │ Aeroshell (4.5 m) │ 1,200 │ PICA-X TPS │ │
│ │ Parachute system │ 180 │ Supersonic drogue │ │
│ │ Entry mass │ 1,380 │ │ │
│ ├────────────────────────────────────┼───────────┼────────────────────┤ │
│ │ TOTAL ENTRY MASS │ 9,580 │ │ │
│ │ CRUISE STAGE │ 650 │ Solar panels, prop │ │
│ ├────────────────────────────────────┼───────────┼────────────────────┤ │
│ │ TOTAL LAUNCH MASS │ 10,230 │ Within FH capacity │ │
│ └────────────────────────────────────┴───────────┴────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
LANDING SYSTEM
━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ EDL SEQUENCE (Entry, Descent, Landing) │
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ ENTRY PHASE │ │
│ │ ─────────── │ │
│ │ │ │
│ │ Entry Interface (125 km): │ │
│ │ • Entry velocity: 5.8 km/s │ │
│ │ • Entry angle: -15.5° (steep for precision) │ │
│ │ • Aeroshell: 4.5 m diameter, 70° sphere-cone │ │
│ │ │ │
│ │ Peak Heating (80 km): │ │
│ │ • Peak heat flux: 120 W/cm² │ │
│ │ • Peak deceleration: 12 g │ │
│ │ • TPS: PICA-X ablative │ │
│ │ │ │
│ │ ─────────────────────────────────────────────────────────────────│ │
│ │ │ │
│ │ DESCENT PHASE │ │
│ │ ───────────── │ │
│ │ │ │
│ │ Supersonic Parachute Deploy (8 km, Mach 2.0): │ │
│ │ • Disk-gap-band parachute, 21 m diameter │ │
│ │ • Deceleration to Mach 0.7 │ │
│ │ │ │
│ │ Heat Shield Jettison (5 km): │ │
│ │ • Radar altimeter activation │ │
│ │ • Terrain-relative navigation begins │ │
│ │ • Hazard detection active │ │
│ │ │ │
│ │ Backshell Separation + Powered Descent (1.5 km): │ │
│ │ • 6× SuperDraco engines ignition │ │
│ │ • Total thrust: 438 kN │ │
│ │ • Divert maneuver to safe landing zone │ │
│ │ │ │
│ │ ─────────────────────────────────────────────────────────────────│ │
│ │ │ │
│ │ LANDING PHASE │ │
│ │ ───────────── │ │
│ │ │ │
│ │ Terminal Descent (100 m): │ │
│ │ • Constant velocity descent: 2.4 m/s │ │
│ │ • Final hazard avoidance │ │
│ │ • Landing leg deployment │ │
│ │ │ │
│ │ Touchdown: │ │
│ │ • Velocity: < 2 m/s vertical, < 1 m/s horizontal │ │
│ │ • Engine shutdown on leg contact │ │
│ │ • Landing accuracy: < 100 m from target │ │
│ │ │ │
│ │ EDL TIMELINE │ │
│ │ ──────────── │ │
│ │ │ │
│ │ ┌──────────────┬────────────┬─────────────┬───────────────────┐ │ │
│ │ │ Event │ Altitude │ Time (E+) │ Velocity │ │ │
│ │ ├──────────────┼────────────┼─────────────┼───────────────────┤ │ │
│ │ │ Entry I/F │ 125 km │ 0:00 │ 5,800 m/s │ │ │
│ │ │ Peak heating │ 80 km │ 0:45 │ 4,200 m/s │ │ │
│ │ │ Peak decel │ 40 km │ 1:30 │ 1,800 m/s │ │ │
│ │ │ Chute deploy │ 8 km │ 4:00 │ 480 m/s (M 2.0) │ │ │
│ │ │ Heatshield │ 5 km │ 4:45 │ 180 m/s │ │ │
│ │ │ Powered desc │ 1.5 km │ 5:30 │ 100 m/s │ │ │
│ │ │ Terminal │ 100 m │ 6:15 │ 15 m/s │ │ │
│ │ │ Touchdown │ 0 m │ 6:30 │ < 2 m/s │ │ │
│ │ └──────────────┴────────────┴─────────────┴───────────────────┘ │ │
│ │ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════Power System: Kilopower Fission Reactors
PROMETHEUS POWER SYSTEM: KILOPOWER CONFIGURATION
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════
POWER ARCHITECTURE
━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ WHY NUCLEAR POWER FOR ISRU? │
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ ISRU POWER REQUIREMENTS │ │
│ │ ─────────────────────── │ │
│ │ │ │
│ │ ┌────────────────────────────┬────────────┬───────────────────┐ │ │
│ │ │ Process │ Power (kW) │ Duty Cycle │ │ │
│ │ ├────────────────────────────┼────────────┼───────────────────┤ │ │
│ │ │ CO₂ acquisition/compress │ 2.5 │ Continuous │ │ │
│ │ │ MOXIE O₂ production │ 8.0 │ Continuous │ │ │
│ │ │ Sabatier reactor (CH₄) │ 3.5 │ Continuous │ │ │
│ │ │ Water electrolysis │ 5.0 │ 80% duty │ │ │
│ │ │ Cryogenic cooling/liquefac │ 12.0 │ Continuous │ │ │
│ │ │ Ice excavation rover │ 3.0 │ 40% duty │ │ │
│ │ │ Water extraction heating │ 4.0 │ 60% duty │ │ │
│ │ │ Avionics/communications │ 0.5 │ Continuous │ │ │
│ │ │ Thermal management │ 1.5 │ Variable │ │ │
│ │ ├────────────────────────────┼────────────┼───────────────────┤ │ │
│ │ │ PEAK DEMAND │ 40 kW │ │ │ │
│ │ │ AVERAGE DEMAND │ 32 kW │ │ │ │
│ │ └────────────────────────────┴────────────┴───────────────────┘ │ │
│ │ │ │
│ │ WHY NOT SOLAR? │ │
│ │ ────────────── │ │
│ │ │ │
│ │ • 40 kW solar at Mars: ~400 m² array (dust degradation issue) │ │
│ │ • Global dust storms: 3+ month production shutdown │ │
│ │ • Nighttime: 12 hours/sol with zero production │ │
│ │ • Schedule risk: Cannot guarantee propellant production │ │
│ │ │ │
│ │ NUCLEAR ADVANTAGE │ │
│ │ ───────────────── │ │
│ │ │ │
│ │ • Continuous power: 24/7 operation regardless of conditions │ │
│ │ • Compact: 4 reactors fit within lander footprint │ │
│ │ • Dust immune: No performance degradation │ │
│ │ • Long life: 15+ year design life │ │
│ │ • Crew-ready: Same reactors will power human habitat │ │
│ │ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
KILOPOWER REACTOR SPECIFICATIONS
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ KILOPOWER 10 kWe REACTOR UNIT │
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ DESIGN HERITAGE: KRUSTY (Kilopower Reactor Using Stirling Tech) │ │
│ │ NASA/DOE successful ground demonstration: 2018 │ │
│ │ │ │
│ │ ┌────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ │ REACTOR SCHEMATIC │ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ │ ┌─────────────────────┐ │ │ │
│ │ │ │ RADIATOR PANELS │ │ │ │
│ │ │ │ (deployed, 8 m²) │ │ │ │
│ │ │ └──────────┬──────────┘ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ │ ┌──────────┴──────────┐ │ │ │
│ │ │ │ STIRLING ENGINES │ │ │ │
│ │ │ │ (2 × 5 kWe each) │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ ┌───┐ ┌───┐ │ │ │ │
│ │ │ │ │ S │ │ S │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ T │ │ T │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ I │ │ I │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ R │ │ R │ │ │ │ │
│ │ │ │ └─┬─┘ └─┬─┘ │ │ │ │
│ │ │ └────┼───────────┼────┘ │ │ │
│ │ │ │ ┌───┐ │ │ │ │
│ │ │ └───│ H │───┘ ← Heat pipes (Na) │ │ │
│ │ │ │ E │ │ │ │
│ │ │ │ A │ │ │ │
│ │ │ │ T │ │ │ │
│ │ │ ┌───┴───┴───┐ │ │ │
│ │ │ │ BeO │ ← Reflector │ │ │
│ │ │ │ ┌─────┐ │ │ │ │
│ │ │ │ │ U-Mo│ │ ← Reactor core │ │ │
│ │ │ │ │ CORE│ │ (HEU-Mo alloy) │ │ │
│ │ │ │ └─────┘ │ │ │ │
│ │ │ │ BeO │ │ │ │
│ │ │ └───────────┘ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ ════╧═══════════╧════ │ │ │
│ │ │ SHIELD │ │ │
│ │ │ (B₄C + LiH) │ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ └────────────────────────────────────────────────────────────┘ │ │
│ │ │ │
│ │ REACTOR SPECIFICATIONS │ │
│ │ ────────────────────── │ │
│ │ │ │
│ │ ┌──────────────────────────┬─────────────────────────────────┐ │ │
│ │ │ Parameter │ Value │ │ │
│ │ ├──────────────────────────┼─────────────────────────────────┤ │ │
│ │ │ Electrical output │ 10 kWe (each unit) │ │ │
│ │ │ Thermal output │ 43 kWth │ │ │
│ │ │ Conversion efficiency │ 23% (Stirling) │ │ │
│ │ │ Core temperature │ 1,073 K (800°C) │ │ │
│ │ │ Fuel │ Highly enriched U-Mo alloy │ │ │
│ │ │ Fuel mass │ 32 kg (per reactor) │ │ │
│ │ │ Enrichment │ 93% U-235 │ │ │
│ │ │ Core diameter │ 11 cm │ │ │
│ │ │ Core height │ 25 cm │ │ │
│ │ │ Reflector │ BeO │ │ │
│ │ │ Heat transfer │ Sodium heat pipes │ │ │
│ │ │ Power conversion │ Free-piston Stirling engines │ │ │
│ │ │ Radiator area │ 8 m² (per reactor) │ │ │
│ │ │ Total mass │ 400 kg (per reactor, deployed) │ │ │
│ │ │ Design life │ 15 years continuous operation │ │ │
│ │ │ Startup time │ 4 hours (from cold) │ │ │
│ │ │ Control │ Passive (negative temp coeff) │ │ │
│ │ └──────────────────────────┴─────────────────────────────────┘ │ │
│ │ │ │
│ │ SAFETY FEATURES │ │
│ │ ─────────────── │ │
│ │ │ │
│ │ • Launch cold: Reactor is subcritical until intentionally started │ │
│ │ • Passive safety: Negative temperature coefficient auto-regulates │ │
│ │ • No moving parts in reactor: Stirling engines are only moving │ │
│ │ • No reactor coolant pumps: Heat pipes are passive │ │
│ │ • Distance: Deployed 50+ m from lander/crew areas │ │
│ │ • Shielding: 4π shadow shield protects work areas │ │
│ │ • Buried option: Can be covered with regolith for extra shielding │ │
│ │ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
POWER SYSTEM DEPLOYMENT
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ REACTOR DEPLOYMENT SEQUENCE │
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ DEPLOYMENT LAYOUT (TOP VIEW) │ │
│ │ │ │
│ │ N │ │
│ │ ▲ │ │
│ │ │ │ │
│ │ │ │
│ │ [KP-1] [KP-2] │ │
│ │ ●────────● │ │
│ │ \ / │ │
│ │ \ / 50m radius │ │
│ │ \ / exclusion zone │ │
│ │ \/ │ │
│ │ ───────────────────────────── │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ │ ┌─────────────────┐ │ │ │
│ │ W ──│ │ PROMETHEUS │ │── E │ │
│ │ │ │ LANDER │ │ │ │
│ │ │ │ (ISRU PLANT) │ │ │ │
│ │ │ └─────────────────┘ │ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ ───────────────────────────── │ │
│ │ /\ │ │
│ │ / \ │ │
│ │ / \ │ │
│ │ / \ │ │
│ │ ●────────● │ │
│ │ [KP-3] [KP-4] │ │
│ │ │ │
│ │ │ │ │
│ │ ▼ │ │
│ │ S │ │
│ │ │ │
│ │ • 4 reactors in cardinal directions, 50m from lander │ │
│ │ • Power cables run underground (radiation shielding) │ │
│ │ • Reactors can be individually shut down for maintenance │ │
│ │ • 3 of 4 reactors provide minimum viable power (N+1 redundancy) │ │
│ │ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ DEPLOYMENT TIMELINE │
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ Sol 1-3: Post-landing assessment, solar panel deployment │ │
│ │ (15 kW backup power online) │ │
│ │ │ │
│ │ Sol 4-10: Reactor transport rovers deployed │ │
│ │ Each reactor carried 50m from lander │ │
│ │ Radiator panels unfold │ │
│ │ │ │
│ │ Sol 11-15: Power cable connections verified │ │
│ │ Ground fault testing │ │
│ │ Control system checkout │ │
│ │ │ │
│ │ Sol 16-20: Reactor startup sequence (one at a time): │ │
│ │ • Day 1: Reflector positioning (achieve criticality) │ │
│ │ • Day 2: Temperature ramp to 800°C │ │
│ │ • Day 3: Stirling engine startup │ │
│ │ • Day 4: Full power verification (10 kWe) │ │
│ │ │ │
│ │ Sol 30: All 4 reactors operational (40 kWe total) │ │
│ │ ISRU commissioning can begin │ │
│ │ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ POWER BUDGET SUMMARY │
│ │
│ ┌──────────────────────────┬────────────────────────────────────────┐ │
│ │ Configuration │ Available Power │ │
│ ├──────────────────────────┼────────────────────────────────────────┤ │
│ │ 4 reactors (nominal) │ 40 kWe (100% production rate) │ │
│ │ 3 reactors (degraded) │ 30 kWe (75% production rate) │ │
│ │ 2 reactors (survival) │ 20 kWe (50% production rate) │ │
│ │ 1 reactor (emergency) │ 10 kWe (critical systems only) │ │
│ │ Solar backup only │ 15 kWe (daytime, dust-dependent) │ │
│ └──────────────────────────┴────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════ISRU Plant: Detailed System Design
PROMETHEUS ISRU PLANT: PROCESS ARCHITECTURE
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════
INTEGRATED PROCESS FLOW
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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ ISRU PRODUCTION PATHWAYS │
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ ┌─────────────────────┐ │ │
│ │ │ MARS ATMOSPHERE │ │ │
│ │ │ 95% CO₂, 6 mbar │ │ │
│ │ └──────────┬──────────┘ │ │
│ │ │ │ │
│ │ ▼ │ │
│ │ ┌───────────────────────────────────────────────────────────┐ │ │
│ │ │ ATMOSPHERIC PROCESSING MODULE │ │ │
│ │ │ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────────┐ │ │ │ │
│ │ │ │ │ DUST │ │COMPRES- │ │ CO₂ │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ FILTER │─────▶│ SOR │─────▶│ STORAGE │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ (1 bar) │ │ BUFFER │ │ │ │ │
│ │ │ │ └─────────┘ └─────────┘ └──────┬──────┘ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ └──────────────────────────────────────────┼─────────┘ │ │ │
│ │ └──────────────────────────────────────────────┼───────────┘ │ │
│ │ │ │ │
│ │ ┌───────────────────────────┼───────┐ │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ ▼ ▼ │ │ │
│ │ ┌──────────────────────────┐ ┌──────────────────────┴──────┐ │ │
│ │ │ MOXIE MODULE │ │ SABATIER MODULE │ │ │
│ │ │ (Solid Oxide Electrol) │ │ (Methanation Reactor) │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ CO₂ ──▶ CO + ½O₂ │ │ CO₂ + 4H₂ ──▶ CH₄ + 2H₂O │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ (800°C SOEC stack) │ │ (300°C, Ni catalyst) │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ └────────────┬─────────────┘ └───────────┬────────┬────────┘ │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ │ O₂ CH₄ │ │ H₂O │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ ▼ ▼ ▼ │ │
│ │ ┌────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ │
│ │ │ CRYOGENIC MODULE │ │ │
│ │ │ ┌──────────────────────┐ ┌──────────────────────┐ │ │ │
│ │ │ │ O₂ LIQUEFIER │ │ CH₄ LIQUEFIER │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ 90 K (-183°C) │ │ 111 K (-162°C) │ │ │ │
│ │ │ │ Stirling cryocooler │ │ Stirling cryocooler │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ └──────────┬───────────┘ └──────────┬───────────┘ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ └──────────────┼─────────────────────────┼────────────────────┘ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ ▼ ▼ │ │
│ │ ┌──────────────────────────────────────────────────────────────┐│ │
│ │ │ PROPELLANT STORAGE FARM ││ │
│ │ │ ┌───────────────┐ ┌───────────────┐ ││ │
│ │ │ │ LOX TANK │ │ LCH₄ TANK │ ││ │
│ │ │ │ │ │ │ ││ │
│ │ │ │ Capacity: │ │ Capacity: │ ││ │
│ │ │ │ 15,000 L │ │ 6,000 L │ ││ │
│ │ │ │ (17 tonnes) │ │ (2.5 tonnes) │ ││ │
│ │ │ │ │ │ │ ││ │
│ │ │ │ Insulation: │ │ Insulation: │ ││ │
│ │ │ │ MLI + aerogel│ │ MLI + aerogel│ ││ │
│ │ │ └───────────────┘ └───────────────┘ ││ │
│ │ └──────────────────────────────────────────────────────────────┘│ │
│ │ │ │
│ │ ═══════════════════════════════════════════════════════════════ │ │
│ │ │ │
│ │ ┌─────────────────────┐ │ │
│ │ │ SUBSURFACE ICE │ │ │
│ │ │ (1-10 m depth) │ │ │
│ │ └──────────┬──────────┘ │ │
│ │ │ │ │
│ │ ▼ │ │
│ │ ┌───────────────────────────────────────────────────────────┐ │ │
│ │ │ WATER EXTRACTION MODULE │ │ │
│ │ │ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────┐ │ │ │ │
│ │ │ │ │EXCAVATOR│ │ HEATED │ │ VAPOR │ │WATER│ │ │ │ │
│ │ │ │ │ ROVER │──▶│SUBLIMATOR──▶│CONDENSER│──▶│TANK │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ └─────────┘ └─────────┘ └─────────┘ └──┬──┘ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ └───────────────────────────────────────────────┼─────┘ │ │ │
│ │ └───────────────────────────────────────────────────┼───────┘ │ │
│ │ │ │ │
│ │ ┌──────────────────────────────────┴─────┐ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ ▼ ▼ │ │
│ │ ┌────────────────────────┐ ┌────────────────────────┐ │ │
│ │ │ WATER PURIFICATION │ │ WATER ELECTROLYSIS │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ Filtration + RO + │ │ H₂O ──▶ H₂ + ½O₂ │ │ │
│ │ │ UV sterilization │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ (PEM electrolyzer) │ │ │
│ │ └───────────┬────────────┘ └───────────┬────────────┘ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ ▼ │ H₂ │ │
│ │ ┌────────────────────┐ │ │ │
│ │ │ POTABLE WATER │ │ │ │
│ │ │ STORAGE │ ┌────────────┘ │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ │ 5,000 L tank │ ▼ │ │
│ │ │ (crew reserve) │ TO SABATIER ──────────────────▶ │ │
│ │ │ │ REACTOR │ │
│ │ └────────────────────┘ │ │
│ │ │ │
│ └───────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└───────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════Atmospheric Processing: MOXIE & Sabatier Systems
ATMOSPHERIC PROCESSING DETAILED DESIGN
══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════
CO₂ ACQUISITION SYSTEM
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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ MARS ATMOSPHERIC CAPTURE │
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ MARS ATMOSPHERE COMPOSITION │ │
│ │ ─────────────────────────── │ │
│ │ │ │
│ │ ┌────────────────┬─────────────┬─────────────────────────────┐ │ │
│ │ │ Gas │ Percentage │ ISRU Relevance │ │ │
│ │ ├────────────────┼─────────────┼─────────────────────────────┤ │ │
│ │ │ CO₂ │ 95.3% │ Primary feedstock (C + O) │ │ │
│ │ │ N₂ │ 2.7% │ Buffer gas, future use │ │ │
│ │ │ Ar │ 1.6% │ Inert, vented │ │ │
│ │ │ O₂ │ 0.13% │ Minor supplement │ │ │
│ │ │ CO │ 0.08% │ Trace, from UV photolysis │ │ │
│ │ │ H₂O │ 0.03% │ Negligible extraction value │ │ │
│ │ └────────────────┴─────────────┴─────────
User:I am working on this task: "Deploy Precursor Robotic Infrastructure Missions" - Launch autonomous robotic missions 2-4 years before human arrival to establish initial infrastructure, verify landing sites, begin ISRU production, and pre-position supplies. Critical for de-risking human landing and ensuring resources are available on arrival. Minimum of 8-12 precursor missions required.
Please help me complete this specific subtask: "Deploy and activate nuclear power plants before crew arrival"
Be thorough and detailed in your response.
AI:AI Thinking Trace
The user is asking me to help with a specific subtask related to deploying precursor robotic infrast...
Created by Erik Bethke in Bike4Mind using the QuestMaster deep agentic flow + Claude Opus 4.5 by Anthropic