脉冲等离子体射流超快解离火星CO2制氧：一种高效原位资源利用新策略

《Journal of CO2 Utilization》：Ultra-rapid direct dissociation of CO? with dense pulsed plasma jets for Martian oxygen production

为应对火星探测中氧气原位生产的效率瓶颈，本研究提出采用高密度脉冲等离子体射流在1–5 Torr低压环境下直接解离CO2。通过对比射频等离子体，该方法将解离时间从数百秒缩短至纳秒级，最高实现33.29%的转化率及7.2%的能量效率，为火星载人任务提供了快速、低能耗的制氧新途径。

　　

随着人类火星探测步伐的加快，如何在火星表面高效、可持续地生产氧气已成为任务成败的关键挑战之一。火星大气中约96%为二氧化碳（CO₂），压力仅为1–5 Torr，是理想的制氧原料。然而，现有技术如“火星氧气原位资源利用实验”（MOXIE）依赖固体氧化物电解池，需维持高温（约1000 K）和高压（260–740 Torr）环境，不仅能耗高，且电极易降解。此外，非热等离子体技术虽可在低压下运行，却受限于振动激发机制的解离速率慢、易发生逆反应等问题，导致转化效率难以提升。

为突破这些局限，来自罗马尼亚国家激光、等离子体与辐射物理研究所的Adrian Scurtu团队在《Journal of CO2 Utilization》发表研究，提出利用高密度脉冲等离子体射流实现CO₂的超快直接解离。该技术源自磁等离子体动力学推进系统，通过同轴等离子体枪产生电子密度超过10²¹m^?3、温度约13 eV的脉冲射流，在模拟火星压力条件下将CO₂解离为氧气和一氧化碳（CO）。

关键技术方法

研究采用同轴等离子体枪生成脉冲射流，通过三重朗缪尔探针和斯塔克展宽光谱测量电子密度与温度；利用质谱仪实时监测氧气生成动力学；通过高速摄像记录射流传播速度；结合RLC电路模型计算还原电场强度（E/N），并与射频等离子体进行对比实验。

研究结果

3.1 解离效率与压力关系

在单脉冲2 kV放电条件下，1 Torr时CO₂转化率最高达33.39%，但氧气产量峰值出现在5 Torr（5.5 mg/脉冲）。压力升至10 Torr时，因还原电场从约1000 Td降至490 Td，转化率显著下降至2.66%。多脉冲实验显示，当转化率超过50%后，能量效率降低，表明反应室中氧气积累引发能量耗散。

3.2 时间效率优势

脉冲等离子体可在5.38纳秒内完成单次CO₂解离，而射频等离子体依赖振动激发机制需200毫秒，前者速率快约7个数量级。实验测得氧气检测时间比射频等离子体缩短20–50倍，显著抑制了逆反应带来的效率损失。

3.3 能量效率分析

在5 Torr、单脉冲条件下，能量效率最高达7.2%（SEI≈10 eV/分子），优于射频（1.6%）和直流等离子体（2.3–5.3%）。但随脉冲次数增加，效率降至1–3.5%，主因是反应室尺度限制导致产物积累。研究指出，通过扩大反应室体积或引入催化剂（如Pt、CeO₂）可进一步提升效率。

结论与意义

本研究证实脉冲等离子体射流是一种极具潜力的火星制氧技术。其核心优势在于：

1. 1.
   超快解离：直接电子碰撞机制克服了振动激发的动力学瓶颈；
2. 2.
   低压适应性：可直接在火星压力下运行，避免压缩能耗；
3. 3.
   高扩展性：理论计算表明，若脉冲频率提升至10 Hz，每小时可产氧198 g，满足多人生存需求。
   未来通过优化电极结构、耦合催化剂及扩大反应尺度，该技术有望成为火星基地生命支持系统的关键组成部分。