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氧气与水作为未来人类在月球上生存的基本条件,其制取方法是月球基地建设必须解决的一个重要问题。本论文对现有利用月球含氧矿物制氧方法进行了分类总结,将现有制氧方法分为还原法、高温分解法和等离子高温分离法,充分考虑利用月球资源就地生产氧气所要满足的三个条件:首先是反应方法适合就地利用月球资源,月球蕴含了可供人类利用的丰富矿物资源,选择适合就地利用的月球资源制取氧气,使月球作为人类深空探测中转站的宏伟蓝图成为可能；其次是反应的高效率,最少的反应原料要获得最高的氧气产量；再次是反应过程的简单直接,由于月球的特殊环境和地月之间高昂的运输成本,简单的反应过程更容易实现。
对比不同还原剂和不同还原方法的特点,对几种主要制氧方法进行比较。从上述几类氧气制取方法的整体而言,氢还原法相对其它方法具有更低能耗和更高效率的优点,但该方法通常需要附加的还原物质参与。充分考虑了还原剂的循环利用和获取难易程度,结合月球实际探测结果,发现在月球上获取氢气可以通过两种途径,一是从月球登陆仓剩余燃料中获取；二是通过收集太阳风注入到月壤中的氢得到。还原法制取氧气的生产过程需要加热,但传统加热的热利用效率非常低,为了提高热利用效率,降低生产能耗,考虑选择微波加热作为生产过程的加热方式。根据微波加热的选择性特点,钛铁矿具有很好的吸波性能,并且富含于月壤中,具有易于分选、反应温度低、氧气产率高等优点。综合上述具体情况,本研究提出在微波加热条件下,利用氢气还原钛铁矿生产氧气作为月球基地氧气生产的初步方案。
在上述初步方案的基础上,考虑到水电解制取氧气的技术相对成熟,本研究主要通过设计和制造月球基地水生产的地面模拟实验装置,实现在微波场中氢气还原钛铁矿制取水的模拟实验,最终确定月球基地氧气和水的生产技术方案。模拟实验装置设计由反应部分、测温部分、低压控制和产物收集四部分组成,针对月球的高真空环境,为更好地模拟月球基地真实环境,反应过程在低压条件(低于一个大气压)下完成,通过控制氢气的流速使反应腔处于负压状态并满足反应的氢分压要求。反应过程中希望对反应物温度进行实时测量,产物经冷凝后收集存储。为确保产物水来源单一,反应前对钛铁矿进行烘干,去除样品中可能存在的水分。
本研究基于月球资源就地利用的基本思路,对可能的月球基地氧气生产方法进行了综合分析比较,结合月球资源分布,提出利用氢气还原钛铁矿在微波场中生产氧气和水,并设计相应的模拟实验装置对工艺参数进行分析验证,为将来月球基地氧气供给提供重要参考。