低能耗月球原位稀有气体提取系统及提取方法.pdf

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911172554.9 (22)申请日 2019.11.26 (71)申请人 中国科学院地质与地球物理研究所 地址 100029 北京市朝阳区北土城西路19 号 申请人 中国科学院大气物理研究所 (72)发明人 苏菲贺怀宇刘冉冉刘子恒 李健楠 (74)专利代理机构 北京汇信合知识产权代理有 限公司 11335 代理人 张焕响 (51)Int.Cl. G01N 1/22(2006.01) G01N 1/44(2006.01) (54)发明名称 一种低能耗月球原位稀有气体提取系

2、统及 提取方法 (57)摘要 本发明公开了一种低能耗月球原位稀有气 体提取系统及提取方法， 属于月壤处理技术领 域， 该系统包括筛选装置、 研磨装置和加热装置， 该方法包括： a.筛选： 利用机械臂将月壤采回并 投入筛选装置中， 筛选粒径100m以下的月壤； b.研磨： 将筛选出的月壤加入研磨装置， 进行研 磨； c .将研磨后的月壤加入加热装置， 加热至 150-250， 释放吸附的稀有气体； 本发明采用过 筛、 研磨结合传统加热方法在月球表面实现低功 耗提取稀有气体， 提取功耗仅为现有技术中900 热熔提取功耗的10-30， 有利于推进月球资 源利用。 权利要求书1页 说明书3页 附图1页

3、 CN 110967227 A 2020.04.07 CN 110967227 A 1.一种低能耗月球原位稀有气体提取系统， 其特征在于， 包括筛选装置、 研磨装置和加 热装置； 所述研磨装置一端与所述加热装置连接， 另一端与所述筛选装置连接； 所述研磨装置和所述加热装置均处于密闭环境内， 且通过密闭管道连接； 所述研磨装置包括壳体、 锤体和电磁驱动系统； 所述电磁驱动系统设置于所述壳体外部； 所述锤体设置于所述壳体内部， 并与所述壳体相匹配。 2.根据权利要求1所述的低能耗月球原位稀有气体提取系统， 其特征在于， 所述研磨装 置还包括进料口和出料口。 3.根据权利要求2所述的低能耗月球原位稀

4、有气体提取系统， 其特征在于， 所述进料口 和所述出料口均通过阀门密闭。 4.根据权利要求1所述的低能耗月球原位稀有气体提取系统， 其特征在于， 所述筛选装 置为筛网， 筛孔孔径100 m。 5.根据权利要求1所述的低能耗月球原位稀有气体提取系统， 其特征在于， 所述加热装 置为高温炉。 6.根据权利要求1所述的低能耗月球原位稀有气体提取系统， 其特征在于， 所述研磨装 置与所述筛选装置、 所述加热装置之间均通过不锈钢管道连接。 7.一种利用权利要求1-6所述的低能耗月球原位稀有气体提取系统提取稀有气体的方 法， 其特征在于， 包括以下步骤： a.制样： 将采集的月壤原样过筛， 筛选获得粒径1

5、00 m以下的月壤样品； b.研磨： 将筛选出的月壤样品在真空条件下进行研磨， 至粒径小于1 m； c.将研磨后的月壤在真空条件下进行加热， 加热至150-250， 收集吸附的稀有气体。 8.根据权利要求7所述的低能耗月球原位稀有气体提取方法， 其特征在于， 步骤c中的 加热温度为200。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110967227 A 2 一种低能耗月球原位稀有气体提取系统及提取方法 技术领域 0001 本发明涉及月壤处理技术领域， 特别是涉及一种低能耗月球原位稀有气体提取系 统及提取方法。 背景技术 0002 月壤中包含着太阳系各种丰富的科学信息， 是探索太阳系乃至宇宙间历史演变

6、的 可贵样本； 月壤中蕴藏着诸多丰富的银、 镉、 铅、 锡、 钛、 铁等矿物资源， 是人类未来长期研究 开发利用的难得宝库； 月壤处在月球易于开采的表层， 是未来建设月球基地、 采矿、 修路、 资 源提取的首选目标。 0003 月球表面的稀有气体如He、 Xe等是未来深空探测的重要能源， 需要有效低能耗的 月表提取方式。 目前地面上对矿物中稀有气体的提取方式主要是以加热熔融为主， 月球表 面的提取方式也是直接将月壤高温加热熔融， 释放稀有气体， 因加热熔融需要将月壤加热 到900以上， 消耗大量能量， 在月球表面很难大规模实现， 严重制约了月表稀有气体的利 用和月球资源开发。 发明内容 000

7、4 本发明的目的是提供一种低能耗月球原位稀有气体提取系统及提取方法， 以解决 上述现有技术存在的问题， 改变传统稀有气体提取方法， 降低在月球表面原位提取稀有气 体的能耗。 0005 为实现上述目的， 本发明提供了如下方案： 0006 本发明提供一种低能耗月球原位稀有气体提取系统， 包括筛选装置、 研磨装置和 加热装置； 0007 所述研磨装置一端与所述加热装置连接， 另一端与所述筛选装置连接； 0008 所述研磨装置和所述加热装置均处于密闭环境内， 且通过密闭管道连接； 0009 所述研磨装置包括壳体、 锤体和电磁驱动系统； 0010 所述电磁驱动系统设置于所述壳体外部； 0011 所述锤体

8、设置于所述壳体内部， 并与所述壳体相匹配。 0012 进一步地， 所述研磨装置还包括进料口和出料口。 0013 进一步地， 所述进料口和所述出料口均通过阀门密闭。 0014 进一步地， 所述筛选装置为筛网， 筛孔孔径100 m。 0015 进一步地， 所述加热装置为高温炉。 0016 进一步地， 所述研磨装置与所述筛选装置、 所述加热装置之间均通过不锈钢管道 连接。 0017 本发明还提供一种利用上述的低能耗月球原位稀有气体提取系统提取稀有气体 的方法， 包括以下步骤： 0018 a.制样： 将采集的月壤原样过筛， 筛选获得粒径100 m以下的月壤样品； 说明书 1/3 页 3 CN 1109

9、67227 A 3 0019 b.研磨： 将筛选出的月壤样品在真空条件下进行研磨， 至粒径小于1 m； 0020 c.将研磨后的月壤在真空条件下进行加热， 加热至150-250， 收集吸附的稀有气 体。 0021 进一步地， 步骤c中的加热温度为200。 0022 本发明公开了以下技术效果： 0023 由于月球上没有大气和磁场存在， 高速带电粒子流形成的太阳风可直接抵达月 球。 因而， 月壤中富含由太阳风粒子积累所形成的氦等稀有气体元素， 是未来重要的能源。 由于太阳风注入组分富集在比表面大的细粒月壤中， 过筛技术可以提高提取效率。 更重要 的是， 太阳风注入组分富集在颗粒表面2000埃的厚度

10、范围内， 而且由于上亿年的太阳风注 入， 该层晶格严重受损， 通过研磨可以低功耗有效提取其中的稀有气体。 因此， 本发明采用 过筛、 研磨结合传统加热方法在月球表面实现低功耗提取稀有气体， 提取功耗仅为现有技 术中900热熔提取功耗的10-30， 有利于推进月球资源利用。 附图说明 0024 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对实施例中所 需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施 例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获 得其他的附图。 0025 图1为低能耗月球原位稀有气体提取系

11、统的研磨装置结构示意图； 0026 其中， 1-锤体， 2-电磁驱动系统， 3-壳体,4-出料口， 5-加热装置， 6-进料口。 具体实施方式 0027 现详细说明本发明的多种示例性实施方式， 该详细说明不应认为是对本发明的限 制， 而应理解为是对本发明的某些方面、 特性和实施方案的更详细的描述。 0028 应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式， 并非用于限制本发 明。 另外， 对于本发明中的数值范围， 应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每 个中间值。 在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中 间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。 这些

12、较小范围的上限和下限可独立地包括 或排除在范围内。 0029 除非另有说明， 否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规 技术人员通常理解的相同含义。 虽然本发明仅描述了优选的方法和材料， 但是在本发明的 实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。 本说明书中提到的所 有文献通过引用并入， 用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。 在与任何并入的 文献冲突时， 以本说明书的内容为准。 0030 在不背离本发明的范围或精神的情况下， 可对本发明说明书的具体实施方式做多 种改进和变化， 这对本领域技术人员而言是显而易见的。 由本发明的说明书得到的其他实 施方式

13、对技术人员而言是显而易见得的。 本申请说明书和实施例仅是示例性的。 0031 关于本文中所使用的 “包含” 、“包括” 、“具有” 、“含有” 等等， 均为开放性的用语， 即 意指包含但不限于。 说明书 2/3 页 4 CN 110967227 A 4 0032 本发明实施例公开一种低能耗月球原位稀有气体提取系统， 包括筛选装置、 研磨 装置和加热装置5； 0033 所述研磨装置一端与所述加热装置5连接， 另一端与所述筛选装置连接； 0034 所述研磨装置和所述加热装置5均处于密闭环境内， 且通过密闭管道连接； 0035 如图1所示， 所述研磨装置包括壳体3、 锤体1、 电磁驱动系统2、 进料

14、口6和出料口4； 0036 所述进料口6位于研磨装置侧面， 用于将筛选月壤样品加入研磨装置， 所述出料口 4位于研磨装置底部， 用于将研磨后的月壤加入加热装置5， 加热装置5和出料口4通过不锈 钢管道连接； 进料口6和出料口4均通过阀门控制开闭， 以保证研磨装置内的密闭性。 0037 所述电磁驱动系统2设置于所述壳体3外部； 0038 所述锤体1设置于所述壳体3内部， 并与所述壳体3相匹配。 0039 所述电磁驱动系统2为环绕壳体3外部的电磁线圈， 电磁线圈采用铜质电缆， 电磁 线圈与电缆连接， 通入电流后， 电磁线圈产生磁场， 使锤体1往复运动， 粉碎月壤。 0040 所述筛选装置为筛网，

15、筛孔孔径100 m。 0041 所述加热装置5为高温炉。 0042 所述研磨装置与所述筛选装置、 所述加热装置5之间均通过不锈钢管道连接， 并视 需求设置阀门。 0043 月壤经所述加热装置加热释放稀有气体， 月球稀有气体包括He、 Ne、 Ar等。 0044 本发明实施例公开一种低能耗月球原位稀有气体提取方法， 包括以下步骤： 0045 a.制样： 将采集的月壤原样过筛， 筛选获得粒径100 m以下的月壤样品； 0046 b.研磨： 将筛选出的月壤样品在真空条件下进行研磨， 至粒径小于1 m； 0047 c.将研磨后的月壤在真空条件下进行加热， 加热至150-250， 收集吸附的稀有气 体。

16、 0048 进一步优化技术方案， 步骤c中的加热温度为200。 0049 上述技术方案中， 研磨装置和加热装置均处于密闭环境中， 研磨装置采用电磁感 应原理使得锤体往复运动， 从而达到破坏月壤颗粒表层0.1 m稀有气体富集层的研磨效果。 0050 以地面试验室加热到900的高温炉和本发明加热到200的高温炉在同等条件 下进行三组对比试验， 结果显示， 在试验提取气体结果相同或相近的情况下， 加热到900 的高温炉的功耗在1KW左右， 而本申请研磨和加热的方法， 研磨耗能10W甚至更低， 之后再采 用加热至200左右， 高温炉功耗可以降低至200W。 0051 以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述， 并非对本发明的范围进行 限定， 在不脱离本发明设计精神的前提下， 本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出 的各种变形和改进， 均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。 说明书 3/3 页 5 CN 110967227 A 5 图1 说明书附图 1/1 页 6 CN 110967227 A 6