(57)【要約】      （修正有）【課題】宇宙飛行体用の燃料を現場で迅速かつ簡単に生成することができる燃料物質生成デバイスを提案する。【解決手段】宇宙飛行体は、水素および酸素により動作し、前記宇宙飛行体の操縦のために機能する駆動ユニットを備え、水素および酸素を定期的に生成するように構成され、少なくとも１種のアルカリ電解質１８を有する少なくとも１つの電解セル１６を備えた、少なくとも１つの電解槽１４を有する燃料物質生成デバイス１０を備え、燃料物質生成デバイスは、生成された水素の貯蔵のための少なくとも１つの第１の貯蔵タンク２４と、生成された酸素の貯蔵のための少なくとも１つの第２の貯蔵タンク２６とを備えて、少なくとも１つの噴射ノズル用のガスが、駆動ユニットによって２つの貯蔵タンク２４、２６からダクトを介して回収可能である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
宇宙飛行体、特に、衛星であって、
水素および酸素により動作し、前記宇宙飛行体（１２）の操縦のために機能する駆動ユニット（３４）と、
水素および酸素を定期的に生成するように構成され、少なくとも１種のアルカリ電解質（１８）を有する少なくとも１つの電解セル（１６）を備えた、少なくとも１つの電解槽（１４）を有する燃料物質生成デバイスとを備え、
前記燃料物質生成デバイス（１０）は、
生成された水素の貯蔵のための少なくとも１つの第１の貯蔵タンク（２４）と、
生成された酸素の貯蔵のための少なくとも１つの第２の貯蔵タンク（２６）とを備え、
少なくとも１つの噴射ノズル（３５）用のガスが、前記駆動ユニット（３４）によって２つの貯蔵タンク（２４、２６）からダクトを介して回収可能である、宇宙飛行体。
【請求項２】
請求項１に記載の宇宙飛行体において、
前記少なくとも１つの電解セル（１６）は、マトリックスセルによって実現される、宇宙飛行体。
【請求項３】
請求項１または２に記載の宇宙飛行体において、
前記少なくとも１つの電解槽（１４）は、電解処理サイクル（２２）のために水を一時的に貯蔵するために構成された少なくとも１つの貯水器（２０）を備える、宇宙飛行体。
【請求項４】
請求項３に記載の宇宙飛行体は、
ダクトを介して前記貯水器（２０）および水素ライン（３０）に接続され、水と水素との間の圧力補償のために構成された少なくとも１つの第１の圧力補償バルブ（６０）を備える、宇宙飛行体。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の駆動ユニット（３４）および燃料物質生成デバイス（１０）を備えた宇宙飛行体（１２）を操作する方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法において、
電解処理サイクル（２２）を開始させると、所定量の水が前記燃料物質生成デバイス（１０）の電解槽（１４）の貯水器（２０）に導入される、方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、
前記水は、低圧下にて前記電解槽（１４）の前記貯水器（２０）から前記電解セル（１６）へと運ばれる、方法。
【請求項８】
少なくとも請求項６に記載の方法において、
前記電解処理サイクル（２２）の電解処理（２８）は、前記電解槽（１４）の前記貯水器（２０）内の前記水が使い果たされると自動的に停止する、方法。
【請求項９】
請求項５〜８のいずれか一項に記載の方法において、
電解処理サイクル（２２）中、水素および酸素は少なくとも３０ｂａｒ(３０００ｋＰａ)の圧力で生成される、方法。
【請求項１０】
請求項５〜９のいずれか一項に記載の方法において、
電解処理サイクル（２２）中に生成されたガスは貯蔵タンク（２４、２６）内に運ばれる、方法。
【請求項１１】
請求項５〜１０のいずれか一項に記載の方法において、
電解処理（２８）に次いで、前記電解槽（１４）の水素ライン（３０）は前記電解槽（１４）の酸素ライン（３２）に接続され、残留ガスは環境へと排出される、方法。
【請求項１２】
請求項５〜１１のいずれか一項に記載の方法において、
電解処理サイクル（２２）に対する十分なエネルギーがあり、かつ前記燃料物質生成デバイス（１０）の前記貯蔵タンク（２４、２６）内に十分な空間がある場合、電解処理サイクル（２２）を開始できる、方法。
【請求項１３】
請求項５〜１２のいずれか一項に記載の方法において、
前記方法の実施は、減少又は増加した重力条件下で行われる、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動ユニットおよび宇宙飛行体用の燃料物質生成デバイスを備えた宇宙飛行体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒドラジンおよび四酸化窒素をもとに機能する宇宙飛行体の駆動ユニットが既に提案されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は特に、宇宙飛行体用の燃料を現場で迅速かつ簡単に生成することに関して改善された特性を持つ利用可能な一般的デバイスを製造することである。この目的は、本発明によると、特許クレーム１の特徴によって達成されるが、本発明の有利な実施態様およびさらなる発展は下位クレームから集約できる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、宇宙飛行体、特に、衛星であって、水素および酸素により動作し、宇宙飛行体の操縦のために機能する駆動ユニットを備え、水素および酸素を定期的に生成するように構成され、少なくとも１種のアルカリ電解質を有する少なくとも１つの電解セルを備えた、少なくとも１つの電解槽を有する、宇宙飛行体、特に衛星用の燃料物質生成デバイスを備え、燃料物質生成デバイスは、生成された水素の貯蔵のための少なくとも１つの第１の貯蔵タンクと、生成された酸素の貯蔵のための少なくとも１つの第２の貯蔵タンクとを備えて、少なくとも１つの噴射ノズル用のガスが、駆動ユニットによって２つの貯蔵タンクからダクトを介して回収可能な宇宙飛行体を提案する。好ましくは、電解槽は、水素および酸素を繰り返し生成するように構成される。優先的には、特に、水は、電解槽においてエネルギー消費のもとで電力により酸素分子および水素分子へと分解される。原則的には、水素原子および酸素原子を含む別の化学物質が水の代わりに反応物質として使用されてもよい。「宇宙飛行体」とは、特に本文脈では、大気圏外用の人工飛行体であると理解されるべきである。当業者により好都合であるとみなされる種々の宇宙飛行体、例えば、ロケット、宇宙探査機、スペースシャトル、宇宙船、宇宙カプセル、宇宙ステーション、および／または特に好ましくは衛星が考えられる。「定期的」とは特に、本文脈では繰り返しを意味する。好ましくは、これは周期的な繰り返し、および特に好ましくは、非周期的な繰り返しの両方を意味する。特に優先的には、これは特に、時々、すなわち段階毎の繰り返しを意味する。「電解セル」とは、特に、本文脈では、少なくとも２つの電極（そのうちの少なくとも一方は好ましくは水素電極として実現され、他方は酸素電極として実現される）、２つの電極を接続する電気回路、２つの電極の間に配置された少なくとも１種の電解質、および／または２つの電極の間に少なくとも配置された電解質充填膜もしくはイオン伝導性膜を備えたユニットを意味する。好ましくは、このユニットは、電力として実現されるエネルギー入力下において、反応物質、好ましくは水が、好ましくは水素分子である第１のガスと、好ましくは酸素分子である第２のガスとを生成するために分解される酸化還元反応を実行するように構成される。「電解質」とは、特に、優先的には溶液、例えば、アルカリ性溶液として実現されるイオン伝導性物質であると理解されるべきである。さらに、当業者に好都合であるとみなされる種々のアルカリ電解質、例えば、水酸化カリウム溶液が考えられる。「構成された」とは、特に、特別にプログラムされ、設計され、および／または装備されていることを意味する。ある機能のために構成された物とは、特に、少なくとも１つの使用状態および動作状態、または少なくとも１つの使用状態もしくは動作状態において、その物がその機能を遂行および実施、または遂行もしくは実施するものであると理解されるべきである。
【０００５】
駆動ユニットは、化学的推進薬、特に有利には二液性推進薬を提供するように構成されることが好ましい。しかし、原則的には、水素および酸素が処理され、当業者に好都合であるとみなされる任意の他の燃料系が考えられる。特に、駆動ユニットは、特に有利には水素および酸素の化学混合物を処理するために構成される。特に、このような処理は、「外部混合物生成」および「内部混合物生成」介して、または「外部混合物生成」もしくは「内部混合物生成」を介して行われてもよい。「外部混合物生成」は、特に、圧力下において貯蔵された水素が、小さな超過圧力により、燃焼室につながる吸込管内へと送られる、特に、圧送されることを意味する。水素は、燃焼室に入る前に酸素と混合される。この混合物は、燃焼室における圧縮に次いで外部で燃焼されてもよい。「内部混合物生成」とは、特に、ガス状水素およびガス状酸素が、特に、８０ｂａｒ(８０００ｋＰａ)〜１２０ｂａｒ(１２０００ｋＰａ)の間の高圧下において直接燃焼室内に注入されることを意味する。特に、投入された混合物は、冷却された後、触媒バーナにより燃焼されてよい。原則的には、２種類の混合物生成の組み合わせもまた考えられ、および／または当業者によって好都合であるとみなされる任意のさらなる種類の混合物生成もまた考えられる。酸素および水素の燃焼によって発生する推力は、特に、宇宙飛行体の操縦を意図している。ここでは、推力は宇宙飛行体を駆動する。駆動ユニットは、特に、少なくとも１つの噴射ノズル、好ましくは少なくとも２つの噴射ノズルを備える。特に、噴射ノズルは、特に好ましくは宇宙飛行体のステアリングを提供する目的で、駆動ユニットに移動可能に設置されてもよい。特に、噴射ノズルは、同じように実装されてもよく、特に有利には、特に高度の移動性を達成するために、それらが互いに対して移動可能であるように設置される。
【０００６】
本発明による燃料物質生成デバイスの実装により、特に、有利には簡単な方法で、駆動のため、特に宇宙飛行体のために、水素および酸素を、特に加圧下において定期的に供給できるデバイスが利用可能となり得る。特に、有益な少数の活性成分が必要とされる。好ましくは、このようにして、宇宙飛行体用の燃料物質の簡単かつ迅速な現場での製造が達成可能であることが特に有利である。これにより、特に、宇宙飛行体用の環境に優しい水ベースの駆動システムを「グリーンシステム」として提供することが可能になる。この目的のために、水は特に電解され、構成成分である水素および酸素は、特に増加した圧力下で駆動システムに対して利用可能となる。これらのシステムは、小型で軽量、かつ信頼性が高い必要がある。これは、可能な限り単純な受動素子を使用し、センサ、制御部品、冷却用ポンプ、コンプレッサ、および水ポンプなしで済ませることを意味する。この種の駆動システムは、通常、頻繁に使用されることはなく、これは、この駆動システムが何年にもわたって、散発的に数百回から数千回繰り返し不規則に作動されることを意味する。
【０００７】
さらに、少なくとも１つの電解セルがマトリックスセルによって実現されることが提案される。「マトリックスセル」とは、特に、本文脈において、電解質がマトリックス中に、好ましくは多孔質の細孔マトリックス中に固定されている電解セルであると理解されるべきである。好ましくは、マトリックスは、電解質とともに、特に電解セルの少なくとも１つの電極上に配置される。これにより、特に有利な電解セルを提供することを可能にする。特に、少数の活性成分を有する有利には受動的な電解セルが利用可能となり得る。
【０００８】
少なくとも１つの電解槽は、電解処理サイクルのために水を一時的に貯蔵するために構成された少なくとも１つの貯水器を備えることも提案される。優先的には、電解セルは少なくとも１つの貯水器を備える。少なくとも１つの貯水器は、特に、電解処理サイクルに必要な量の水を正確に一時的に貯蔵するように構成されている。貯水器は、５０ｇ未満、優先的には３０ｇ未満、特に優先的には１０ｇ未満の水を保持することが好ましい。「貯水器」は、特に、本文脈では、水の貯蔵、特に一時的貯蔵のためのユニットを意味する。当業者によって好都合であるとみなされるさまざまなリザーバ、例えば、容器、タンク、および／または倉庫が考えられる。これによって、特に、電解のための水を直接提供することを可能にする。特に、電解のための所定量の水が利用可能となり得る。
【０００９】
燃料物質生成デバイスが、ダクトを介して貯水器および水素ラインに接続され、水と水素との圧力補償のために構成された少なくとも１つの第１の圧力補償バルブを備えることが優先的には提案される。好ましくは、圧力補償バルブは、貯水器と水素ラインとの間の圧力を補償するように構成される。このようにして、特に、貯水器内の水および水素ライン内の水素の圧力、または貯水器内の水もしくは水素ライン内の水素の圧力は、確実に調整可能である。優先的には、貯水器内の水および水素ライン内の水素の圧力、または貯水器内の水もしくは水素ライン内の水素の圧力を有利には受動的に調整することが可能である。信頼性の高い圧力調整が達成可能である。
【００１０】
燃料物質生成デバイスは、生成された水素の貯蔵のための少なくとも１つの第１の貯蔵タンクと、生成された酸素の貯蔵のための少なくとも１つの第２の貯蔵タンクとを備えることがさらに提案される。好ましくは、宇宙飛行体の噴射ノズルに必要であれば、生成されたガスは貯蔵タンクから回収可能である。このようにして、ガスの有利な貯蔵が達成可能である。特に、ガスの長期供給が達成可能である。
【００１１】
本発明はさらに、燃料物質生成デバイスを操作するための方法にも基づく。好ましくは、電解処理サイクルを開始させると、所定量の水が燃料物質生成デバイスの電解槽の貯水器に導入されることが提案される。「電解処理サイクル」は、特に、本文脈では、電解槽が水素および酸素を生成する電解槽の所定の処理サイクルであると理解されるべきである。電解処理サイクルは、好ましくは、詳細に規定されており、定期的に実行される動作サイクルとして理解されるべきである。特に優先的には、電解処理サイクルは規定された時間を要する。これによって、特に、有利には規定された方法で、特に圧力下で、駆動のため、特に宇宙飛行体のための所定量の水素および酸素を利用可能にすることが可能になる。
【００１２】
さらに、水は、低圧下にて電解槽の貯水器から電解セルへと運ばれることが提案される。この場合、「低圧」とは、特に、本文脈では周囲圧力と少なくともほぼ等しい圧力であると理解されるべきである。好ましくは、周囲圧力からの圧力の差は最大２ｂａｒ(２００ｋＰａ)、優先的には１．５ｂａｒ(１５０ｋＰａ)以下、特に好ましくは最大１ｂａｒ(１００ｋＰａ)である。これは、好ましくは、特に、最大２ｂａｒ(２００ｋＰａ)、優先的には１．５ｂａｒ(１５０ｋＰａ)以下、特に好ましくは最大１ｂａｒ(１００ｋＰａ)の絶対圧力を意味する。このようにして、少量のエネルギーを必要とするだけで、有利には簡単な方法で水の搬送が達成可能である。電解セル内の圧力が低い場合、すなわち、周囲圧力に近い場合、水は、特に、電解セルの小さな超過圧力により電解セルに運ばれてもよい。
【００１３】
電解処理サイクルの電解処理は、電解槽の貯水器内の水が使い果たされるか、または生成されたガスが所望の圧力レベルに達すると自動的に停止することがさらに提案される。これによって、特に規定された方法で、特に圧力下で、駆動のため、特に宇宙飛行体のための所定量の水素および酸素を定期的に提供することが可能になることが有利である。このようにして、規定された電解処理サイクルは有利には簡単に利用可能になり得る。好ましくは、電解処理サイクルの自動停止は、有利には安全な方法で達成可能である。
【００１４】
さらに、電解処理サイクル中、水素および酸素は少なくとも３０ｂａｒ(３０００ｋＰａ)の圧力で生成されることが提案される。好ましくは、電解処理サイクル中、少なくとも５０ｂａｒ(５０００ｋＰａ)の圧力で水素および酸素が生成される。特に好ましくは、電解処理サイクル中、１００ｂａｒ(１００００ｋＰａ)以下の圧力で水素および酸素が生成される。優先的には、電解セル内で所定の圧力を超えると、水素および酸素が貯蔵タンクに運ばれる。このことは、特に、有利には高圧で水素および酸素を提供することを可能にする。好ましくは、ガスは、特に、さらなる積極的な圧力の増加なしに貯蔵可能である。特に、多数の活性成分を少ないままで保つことができる。
【００１５】
さらに、電解処理サイクル中に生成されたガスを貯蔵タンクに運ぶことが提案されている。好ましくは、所定の圧力を超えると、電解処理中に生成されるガスが貯蔵タンクに運ばれる。ガスは、特に、さらなる積極的な圧力の増加なしに、貯蔵タンクに優先的に運ばれる。これによって、ガスの有利な貯蔵を達成することを可能にする。特に、ガスの長期供給が達成可能である。
【００１６】
これ以外にも、電解処理に次いで、電解槽の水素ラインは電解槽の酸素ラインに接続され、残りのガスは環境へと排出されることが提案される。好ましくは、電解処理に次いで、電解槽の水素ラインは電解槽の酸素ラインに連結される。連結は、特に、水素ラインと酸素ラインとの間の圧力補償の目的で、差圧が発生することなくガスを排出するために行われる。優先的には、電解セルは、最大周囲圧力に達するまで、水素ラインおよび酸素ラインを介して脱気される。好ましくは、脱気はバルブを介して行われる。これによって、次の電解処理サイクルのために、電解セル内の圧力を確実に低下させることができる。電解セル内の圧力が低い場合、すなわち、周囲圧力に近い場合、水は、特に単に小さな超過圧力により電解セルに運ばれてもよい。このようにして、優先的には、電解槽のエネルギー要件を小さいままで保つことができる。
【００１７】
電解処理サイクルに対する十分なエネルギーがあり、かつ燃料物質生成デバイスの貯蔵タンク内に十分な空間がある場合、電解処理サイクルを開始できることがさらに提案される。燃料物質生成デバイスのエネルギー貯蔵においてエネルギー閾値を超過し、貯蔵タンク内の圧力が圧力閾値を下回る場合、電解処理サイクルを開始できることが好ましい。ここで、電解処理サイクルは好ましくは自動的に開始される。これによって、特に、貯蔵タンク内に常に十分な量のガスが存在することを保証できる。好ましくは、このようにして、燃料物質が必要とされる場合には、ガスを直接生成する必要はないことがさらに達成可能である。特に、有利には自律型燃料物質生成デバイスが利用可能となり得る。
【００１８】
さらに、本方法の実施は、減少または増加した重力条件下で行われることが提案される。好ましくは、この方法は、大気圏外において、火星のような惑星および月のような衛星で、または火星のような惑星もしくは月のような衛星で１０−６ｘｇ〜１０ｘｇの加速度で、例えば、宇宙飛行体内の処理において、宇宙飛行体内、例えば、宇宙船または衛星でμｇで使用される。本明細書において、ｇ値は、特に、惑星および小惑星の両方もしくは一方におけるもの、または飛行中の宇宙飛行体内におけるものであると理解されるべきである。しかし、原則として、ｇ値は操作上の理由から、例えば１００ｘｇまで激増する可能性がある。例を挙げると、装置および反応器、または装置もしくは反応器は、示されたｇ値とは異なる人為的な処理用加速度にさらされてもよい。「減少した重力条件」とは、本明細書において、０．９ｘｇ以下、有利には１×１０−３ｘｇ以上、好ましくは最低１×１０−６ｘｇ、特に好ましくは最低１×１０−８ｘｇの重力の作用が存在する特定の条件であると理解されるべきである。「増加した重力条件」とは、本明細書において、少なくとも１．１ｘｇ、好ましくは最高１０ｘｇの重力の作用が存在する特定の条件であると理解されるべきである。重力の作用は、重力および人為的な加速、または重力もしくは人為的な加速によって生じさせることができる。原則として、手順上の理由からｇ値が激増する可能性がある。「ｇ」は、地球上の重力加速度の値、すなわち、９．８１ｍ／ｓ２を示す。
【００１９】
本発明による燃料物質生成デバイス、宇宙飛行体、および方法は、本明細書では、上述の用途および実施態様に限定されない。特に、本明細書に記載の機能性を達成する目的で、本発明による燃料物質生成デバイス、宇宙飛行体、および方法は、ここで言及する数とは異なる数の個々の要素、構造部品、およびユニットを含んでもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明により、環境に優しい駆動を実現することが可能である。特に、毒性が強く環境に有害なヒドラジンは省くことができる。その代わりに、水は宇宙飛行体内で運ばれ、燃料物質である水素および酸素に変換される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
さらなる利点は、図面の以下の説明から明らかになるであろう。図面においては、本発明の例示的実施形態が示されている。図面、明細書、および特許請求の範囲は、複数の特徴を組み合わせて含む。当業者は意図的に特徴を別個に考察し、さらに便宜的な組み合わせを見出すであろう。
【図１】本発明による燃料物質生成デバイスおよび駆動ユニットを備えた宇宙飛行体の概略図。
【図２】電解セルを備えた電解槽および２つの貯蔵タンクを有する本発明による燃料物質生成デバイスの概略図。
【図３】一体型の貯水器を有する電解槽の電解セルの概略的な分解断面図。
【図４】本発明による燃料物質生成デバイスを操作するための方法の概略的なフローチャート。
【図５】電解処理サイクル中の、ある期間の間の圧力、流れる電流、および印加される電圧の測定報告の図。
【図６】燃料物質生成デバイスおよび駆動ユニットを備えた宇宙飛行体の概略背面図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１および図６は、宇宙飛行体１２を示す。宇宙飛行体１２は衛星によって実現されている。しかし、原則として、当業者によって好都合であるとみなされる宇宙飛行体１２の異なる実施態様、例えば、ロケット、宇宙探査機、スペースシャトル、宇宙船、宇宙カプセル、および／または宇宙ステーションとしての実施態様もさらに考えられる。宇宙飛行体１２は、減少または増加した重力条件下で、大気圏外において使用されるように構成される。宇宙飛行体１２は、燃料物質生成デバイス１０を備える。さらに、宇宙飛行体１２は、駆動ユニット３４を備える。駆動ユニット３４は、宇宙飛行体１２の大気圏外における操縦のために役立つ。駆動ユニット３４は、詳細には図示されていない少なくとも１つの噴射ノズル３５を備える。駆動ユニット３４は、水素および酸素により作動する。駆動ユニット３４は、少なくとも１つの燃焼室（詳細には図示せず）を備える。例を挙げると、少なくとも１つの噴射ノズル３５が燃焼室の下流に配置される。一例として、駆動ユニット３４は、単一の噴射ノズル３５を備える。本明細書では、特に、噴射ノズル３５が移動可能に配置され、および噴射ノズルの少なくとも１つの案内方向が可変的に実現されるか、または噴射ノズル３５が移動可能に配置され、もしくは噴射ノズルの少なくとも１つの案内方向が可変的に実現されることが考えられる。あるいは、例えば、同じようにまたは異なるように具現化され、特に異なる操縦方向を実現するための異なる配向を有する複数の噴射ノズルが考えられる。
【００２３】
燃料物質生成デバイス１０は、宇宙飛行体１２用に設計されている。燃料物質生成デバイス１０は、電解槽１４を備える。電解槽１４は、水素および酸素を定期的に生成するように構成されている。電解槽１４は、水素および酸素を繰り返し生成するように構成されている。電解槽１４は、エネルギー消費下で電流を介して水を酸素分子および水素分子に分解するように構成されている。電解槽１４は、電解セル１６を備える（図２）。
【００２４】
電解セル１６は、マトリックスセルによって実現される。電解セル１６は、２つの流体空間３６、３８を形成する。電解セル１６は、水素用の流体空間３６および酸素用の流体空間３８を形成する。２つの流体空間３６、３８は、部分的に互いから分離されている。さらに、電解セル１６は、流体空間３６、３８のそれぞれの外部との境界を定める２つの壁要素４０、４２を備える。壁要素４０、４２は、環境とのガス交換に対して流体空間３６、３８を閉鎖するように構成されている。壁要素４０、４２はそれぞれ、板状で具現化されている。壁要素４０、４２はそれぞれフランジにより実現される。壁要素４０、４２は、電気絶縁材料で作られている。しかし、原則として、当業者によって好都合であるとみなされる壁要素４０、４２の異なる実施態様も考えられる。電解セル１６は、フレーム４４をさらに備える。フレーム４４は、２つの流体空間３６、３８の間に配置される。フレーム４４は、詳細には見えない一体化されたダイヤフラムを備える。ダイヤフラムは、第１の流体空間３６と第２の流体空間３８との間に軸方向に配置された膜を実現する。この膜は、電解質１８を収容するように構成されている。電解セル１６は、アルカリ電解質１８を含む。しかし、原則として、当業者によって好都合であるとみなされる他の電解質１８も考えられる。さらに、フレーム４４は一体型のシール４５を備える。シール４５は、シール効果を提供するように構成された隆起シール輪郭によってそれぞれ具現化される。シール４５は、流体空間３６、３８をシールするために、対向する壁要素４０、４２と接触するようにそれぞれ構成されている。シール４５は、それぞれ壁要素４０、４２に押し付けられるように構成されている。シール４５は、フレーム４４の残りの部分に一体的に接続されている。さらに、電解セル１６は、カソードおよびアノードを実現する２つの電極４６、４８を備える。電極４６、４８は、それぞれ流体空間３６、３８のうちの１つに配置される。電極４６、４８は、両側でフレーム４４に当接する（図３）。
【００２５】
さらに、２つの流体空間３６、３８は、水素ライン３０および酸素ライン３２を介して接続可能である。
電解槽１４はまた、電解処理サイクル２２のために水を一時的に貯蔵するために構成された貯水器２０を備える。貯水器２０は、電解処理サイクル２２に必要とされる水の量を正確に一時的に貯蔵するように構成されている。貯水器２０は、５０ｇ未満、好ましくは３０ｇ未満、特に優先的には１０ｇ未満の水を保持する。貯水器２０は、例えば５ｇの水を保持する。貯水器２０は、電解セル１６のフレーム４４内に組み込まれている。貯水器２０は、フレーム４４の（見えない）ダイヤフラムに接続されている（図３）。貯水器２０は貯水庫８０から充填される。
【００２６】
燃料物質生成デバイス１０は、生成された水素の貯蔵のための第１の貯蔵タンク２４と、生成された酸素の貯蔵のための第２の貯蔵タンク２６とをさらに備える。第１の貯蔵タンク２４は、電解槽１４の第２の水素ライン６４を介して電解セル１６の第１の流体空間３６に接続されている。第１の流体空間３６と第１の貯蔵タンク２４との間には、超過圧力バルブ５０が第２の水素ライン６４に配置されている。さらに、第２の貯蔵タンク２６は、電解槽１４の第２の酸素ライン６６を介して電解セル１６の第２の流体空間３８に接続されている。第２の流体空間３８と第２の貯蔵タンク２６との間には、超過圧力バルブ５２が第２の酸素ライン６６に配置されている（図２）。原則として、貯蔵タンクを使用せず、生成されたガスを直接使用する構成が実現可能である。
【００２７】
図４は、駆動ユニット３４および燃料物質生成デバイス１０を備えた宇宙飛行体１２を操作するための方法の概略的なフローチャートを示す。この方法では、電解処理サイクル２２が不規則な間隔で実行される。この方法の実施は、減少または増加した重力条件下で行われる。この方法の実施は、大気圏外において行われる。この方法の実施は、大気圏外において宇宙飛行体１２内で直接行われる。電解処理サイクル２２は、燃料物質生成デバイス１０に実装される。電解処理サイクル２２を開始させると、第１の方法ステップ５４において、所定量の水が燃料物質生成デバイス１０の電解槽１４の貯水器２０に導入される。例えば、５ｇの水がサイクル毎に追加される。水が電解槽１４の貯水器２０内にあるとき、さらなる方法ステップ５６において、電極４６、４８に電圧を印加することができ、適切な電解処理２８が開始する。電解処理２８では、水素および酸素が生成される。電解槽１４の貯水器２０の水は、低圧下で電解セル１６に運ばれる。電解処理２８の開始とともに、さらに、第１の圧力補償バルブ６０が開放され、水と水素との間で圧力補償が行われる。燃料物質生成デバイス１０は、第１の圧力補償バルブ６０を備える。第１の圧力補償バルブ６０は、ダクトを介して貯水器２０と水素ライン３０とに接続されている。第１の圧力補償バルブ６０は、水と水素との間の圧力補償のために構成されている。水素ライン３０は、第１の流体空間３６にさらに接続されている。電解槽１４は、第１の圧力補償バルブ６０を備える。電解処理サイクル２２中に、少なくとも３０ｂａｒ(３０００ｋＰａ)の圧力で水素および酸素が生成される。電解処理サイクル２２中、５０ｂａｒ(５０００ｋＰａ)の圧力で水素および酸素が生成される。電解処理２８中、電解セル１６内の圧力は、さらなる方法ステップ５８において、超過圧力バルブ５０、５２が所定の圧力で開くまで増加する。超過圧力バルブ５０、５２は、例えば、５０ｂａｒ(５０００ｋＰａ)で開く。超過圧力バルブ５０、５２の開放により、生成されたガスは、割り当てられた貯蔵タンク２４、２６に運ばれる。電解処理サイクル２２中に生成されたガスは、こうして貯蔵タンク２４、２６内に運ばれる。駆動ユニット３４は、必要に応じて、これらの貯蔵タンク２４、２６から、さらなるダクトを介して噴射ノズル用のガスを回収することができる。さらなる方法ステップ６２において、電解処理２８は、貯水器２０内の水が使い果たされると自動的に停止する。電解処理サイクル２２の電解処理２８は、電解槽１４の貯水器２０内の水が使い果たされると自動的に完了する。ここで、電解セル１６は依然として圧力下にある。したがって、別の方法ステップ６８では、水素ライン３０が酸素ライン３２に接続され、次いでガスが環境中に排出される。電解処理２８に続いて、電解槽１４の水素ライン３０は電解槽１４の酸素ライン３２に接続され、残留ガスは環境中に排出される。水素ライン３０と酸素ライン３２との連結は、ライン間の圧力補償の目的で、差圧が発生することなくガスを排出するために行われる。この連結は、水素ライン３０と酸素ライン３２とを接続する２つの接続バルブ７０、７２を開くことによって行われる。残留ガスは、さらなるバルブ７４を介して環境中に一緒に排出可能である。ここで、電解セル１６は、最大周囲圧力に達するまで脱気される。ここで、排出されるガスの量は、電解セル１６内の流体空間３６、３８の体積が構造的に小さく保たれるため、かなり小さい。脱気後、電解処理サイクル２２が完了する。貯水器２０には、その後、水を再び充填することができる。この状態では、電解セル１６の流体空間３６、３８内の圧力が小さい、すなわち、周囲圧力に近いため、水を小さな超過圧力により貯水器２０に運ぶことができる。したがって、電解処理サイクル２２が完了した後、新しい電解処理サイクル２２が開始できる。電解処理サイクル２２に対する十分なエネルギーがあり、かつ燃料物質生成デバイス１０の貯蔵タンク２４、２６内に十分な空間がある場合、新たな電解処理サイクル２２を開始できる。この目的のために、さらなる方法ステップ７６において、燃料物質生成デバイス１０のエネルギー貯蔵部（詳細には図示せず）のロード状態が監視される。さらに、燃料物質生成デバイス１０の貯蔵タンク２４、２６内の圧力が監視される。次に、分岐７８は、燃料物質生成デバイス１０のエネルギー貯蔵部のロード状態の閾値を超過したかどうか、および燃料物質生成デバイス１０の貯蔵タンク２４、２６内の圧力が、対応する閾値を下回っているかどうかの確認を含む。燃料物質生成デバイス１０のエネルギー貯蔵部のロード状態の閾値を超過していないか、または燃料物質生成デバイス１０の貯蔵タンク２４、２６の圧力が、対応する閾値を下回っていない場合、方法ステップ７６が繰り返される。燃料物質生成デバイス１０のエネルギー貯蔵部のロード状態の閾値を超過していないか、または燃料物質生成デバイス１０の貯蔵タンク２４、２６の圧力が、対応する閾値を下回っていない場合、新たな電解処理サイクル２２が開始され、方法ステップ５４が繰り返される。
【００２８】
生成された水素および酸素は、貯蔵タンク２４、２６からさらなるダクト（図示せず）を介して駆動ユニット３４に運ばれる。駆動ユニット３４では、化学的ガス混合物の処理が行われる。燃焼室では、例えば触媒バーナを用いてガス混合物が燃焼される。水素と酸素とのガス混合物の燃焼によって推力が発生する。推進は、噴射ノズル３５によって実行および前進するか、または噴射ノズル３５によって実行もしくは前進される。噴射ノズル３５は、少なくとも１つの燃焼室の下流に配置される。宇宙飛行体１２は推力によって駆動される。あるいは、ガス混合物の処理は、さらなるダクト内で既に実行されていてもよく、このような場合、ガス混合物は、燃焼のために駆動ユニット３４の少なくとも１つの燃焼室内に直接運ばれる。また、生成されたガスを流体空間３６、３８から駆動ユニット３４に直接運ぶことも考えられる。
【００２９】
図５は、電解処理サイクル２２中の、ある期間の間の第１の流体空間３６内の水素圧力８２、第２の流体空間３８内の酸素圧力８４、電解セル１６の流れる電流８６、および電解セル１６の印加される電圧８８の測定報告の例示的な図を示す。この図は、時間ｔにわたる第１の流体空間３６内の水素圧力８２および第２の流体空間３８内の酸素圧力８４を棒グラフで示す。この図はさらに、時間ｔにわたるアンペアＡでの電解セル１６の電流８６を示す。この図はさらに、時間ｔにわたるボルトＶでの電解セル１６の電圧８８を示す。ここでは、示された期間は、電解処理２８および方法ステップ６８による後続する脱気を伴う電解処理サイクル２２を示す。時間ｔは分で与えられる。
【図１】
2018111493.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年2月21日(2018.2.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動ユニットおよび宇宙飛行体用の燃料物質生成デバイスを備えた宇宙飛行体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒドラジンおよび四酸化窒素をもとに機能する宇宙飛行体の駆動ユニットが既に提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第３９０５８８４号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１４／０３６３７５７号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１４／０２２４６６８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は特に、宇宙飛行体用の燃料を現場で迅速かつ簡単に生成することに関して改善された特性を持つ利用可能な一般的デバイスを製造することである。この目的は、本発明によると、特許クレーム１の特徴によって達成されるが、本発明の有利な実施態様およびさらなる発展は下位クレームから集約できる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、宇宙飛行体、特に、衛星であって、水素および酸素により動作し、宇宙飛行体の操縦のために機能する駆動ユニットを備え、水素および酸素を定期的に生成するように構成され、少なくとも１種のアルカリ電解質を有する少なくとも１つの電解セルを備えた、少なくとも１つの電解槽を有する、宇宙飛行体、特に衛星用の燃料物質生成デバイスを備え、燃料物質生成デバイスは、生成された水素の貯蔵のための少なくとも１つの第１の貯蔵タンクと、生成された酸素の貯蔵のための少なくとも１つの第２の貯蔵タンクとを備えて、少なくとも１つの噴射ノズル用のガスが、駆動ユニットによって２つの貯蔵タンクからダクトを介して回収可能な宇宙飛行体を提案する。好ましくは、電解槽は、水素および酸素を繰り返し生成するように構成される。優先的には、特に、水は、電解槽においてエネルギー消費のもとで電力により酸素分子および水素分子へと分解される。原則的には、水素原子および酸素原子を含む別の化学物質が水の代わりに反応物質として使用されてもよい。「宇宙飛行体」とは、特に本文脈では、大気圏外用の人工飛行体であると理解されるべきである。当業者により好都合であるとみなされる種々の宇宙飛行体、例えば、ロケット、宇宙探査機、スペースシャトル、宇宙船、宇宙カプセル、宇宙ステーション、および／または特に好ましくは衛星が考えられる。「定期的」とは特に、本文脈では繰り返しを意味する。好ましくは、これは周期的な繰り返し、および特に好ましくは、非周期的な繰り返しの両方を意味する。特に優先的には、これは特に、時々、すなわち段階毎の繰り返しを意味する。「電解セル」とは、特に、本文脈では、少なくとも２つの電極（そのうちの少なくとも一方は好ましくは水素電極として実現され、他方は酸素電極として実現される）、２つの電極を接続する電気回路、２つの電極の間に配置された少なくとも１種の電解質、および／または２つの電極の間に少なくとも配置された電解質充填膜もしくはイオン伝導性膜を備えたユニットを意味する。好ましくは、このユニットは、電力として実現されるエネルギー入力下において、反応物質、好ましくは水が、好ましくは水素分子である第１のガスと、好ましくは酸素分子である第２のガスとを生成するために分解される酸化還元反応を実行するように構成される。「電解質」とは、特に、優先的には溶液、例えば、アルカリ性溶液として実現されるイオン伝導性物質であると理解されるべきである。さらに、当業者に好都合であるとみなされる種々のアルカリ電解質、例えば、水酸化カリウム溶液が考えられる。「構成された」とは、特に、特別にプログラムされ、設計され、および／または装備されていることを意味する。ある機能のために構成された物とは、特に、少なくとも１つの使用状態および動作状態、または少なくとも１つの使用状態もしくは動作状態において、その物がその機能を遂行および実施、または遂行もしくは実施するものであると理解されるべきである。
【０００６】
駆動ユニットは、化学的推進薬、特に有利には二液性推進薬を提供するように構成されることが好ましい。しかし、原則的には、水素および酸素が処理され、当業者に好都合であるとみなされる任意の他の燃料系が考えられる。特に、駆動ユニットは、特に有利には水素および酸素の化学混合物を処理するために構成される。特に、このような処理は、「外部混合物生成」および「内部混合物生成」介して、または「外部混合物生成」もしくは「内部混合物生成」を介して行われてもよい。「外部混合物生成」は、特に、圧力下において貯蔵された水素が、小さな超過圧力により、燃焼室につながる吸込管内へと送られる、特に、圧送されることを意味する。水素は、燃焼室に入る前に酸素と混合される。この混合物は、燃焼室における圧縮に次いで外部で燃焼されてもよい。「内部混合物生成」とは、特に、ガス状水素およびガス状酸素が、特に、８０ｂａｒ(８０００ｋＰａ)〜１２０ｂａｒ(１２０００ｋＰａ)の間の高圧下において直接燃焼室内に注入されることを意味する。特に、投入された混合物は、冷却された後、触媒バーナにより燃焼されてよい。原則的には、２種類の混合物生成の組み合わせもまた考えられ、および／または当業者によって好都合であるとみなされる任意のさらなる種類の混合物生成もまた考えられる。酸素および水素の燃焼によって発生する推力は、特に、宇宙飛行体の操縦を意図している。ここでは、推力は宇宙飛行体を駆動する。駆動ユニットは、特に、少なくとも１つの噴射ノズル、好ましくは少なくとも２つの噴射ノズルを備える。特に、噴射ノズルは、特に好ましくは宇宙飛行体のステアリングを提供する目的で、駆動ユニットに移動可能に設置されてもよい。特に、噴射ノズルは、同じように実装されてもよく、特に有利には、特に高度の移動性を達成するために、それらが互いに対して移動可能であるように設置される。
【０００７】
本発明による燃料物質生成デバイスの実装により、特に、有利には簡単な方法で、駆動のため、特に宇宙飛行体のために、水素および酸素を、特に加圧下において定期的に供給できるデバイスが利用可能となり得る。特に、有益な少数の活性成分が必要とされる。好ましくは、このようにして、宇宙飛行体用の燃料物質の簡単かつ迅速な現場での製造が達成可能であることが特に有利である。これにより、特に、宇宙飛行体用の環境に優しい水ベースの駆動システムを「グリーンシステム」として提供することが可能になる。この目的のために、水は特に電解され、構成成分である水素および酸素は、特に増加した圧力下で駆動システムに対して利用可能となる。これらのシステムは、小型で軽量、かつ信頼性が高い必要がある。これは、可能な限り単純な受動素子を使用し、センサ、制御部品、冷却用ポンプ、コンプレッサ、および水ポンプなしで済ませることを意味する。この種の駆動システムは、通常、頻繁に使用されることはなく、これは、この駆動システムが何年にもわたって、散発的に数百回から数千回繰り返し不規則に作動されることを意味する。
【０００８】
さらに、少なくとも１つの電解セルがマトリックスセルによって実現されることが提案される。「マトリックスセル」とは、特に、本文脈において、電解質がマトリックス中に、好ましくは多孔質の細孔マトリックス中に固定されている電解セルであると理解されるべきである。好ましくは、マトリックスは、電解質とともに、特に電解セルの少なくとも１つの電極上に配置される。これにより、特に有利な電解セルを提供することを可能にする。特に、少数の活性成分を有する有利には受動的な電解セルが利用可能となり得る。
【０００９】
少なくとも１つの電解槽は、電解処理サイクルのために水を一時的に貯蔵するために構成された少なくとも１つの貯水器を備えることも提案される。優先的には、電解セルは少なくとも１つの貯水器を備える。少なくとも１つの貯水器は、特に、電解処理サイクルに必要な量の水を正確に一時的に貯蔵するように構成されている。貯水器は、５０ｇ未満、優先的には３０ｇ未満、特に優先的には１０ｇ未満の水を保持することが好ましい。「貯水器」は、特に、本文脈では、水の貯蔵、特に一時的貯蔵のためのユニットを意味する。当業者によって好都合であるとみなされるさまざまなリザーバ、例えば、容器、タンク、および／または倉庫が考えられる。これによって、特に、電解のための水を直接提供することを可能にする。特に、電解のための所定量の水が利用可能となり得る。
【００１０】
燃料物質生成デバイスが、ダクトを介して貯水器および水素ラインに接続され、水と水素との圧力補償のために構成された少なくとも１つの第１の圧力補償バルブを備えることが優先的には提案される。好ましくは、圧力補償バルブは、貯水器と水素ラインとの間の圧力を補償するように構成される。このようにして、特に、貯水器内の水および水素ライン内の水素の圧力、または貯水器内の水もしくは水素ライン内の水素の圧力は、確実に調整可能である。優先的には、貯水器内の水および水素ライン内の水素の圧力、または貯水器内の水もしくは水素ライン内の水素の圧力を有利には受動的に調整することが可能である。信頼性の高い圧力調整が達成可能である。
【００１１】
燃料物質生成デバイスは、生成された水素の貯蔵のための少なくとも１つの第１の貯蔵タンクと、生成された酸素の貯蔵のための少なくとも１つの第２の貯蔵タンクとを備えることがさらに提案される。好ましくは、宇宙飛行体の噴射ノズルに必要であれば、生成されたガスは貯蔵タンクから回収可能である。このようにして、ガスの有利な貯蔵が達成可能である。特に、ガスの長期供給が達成可能である。
【００１２】
本発明はさらに、燃料物質生成デバイスを操作するための方法にも基づく。好ましくは、電解処理サイクルを開始させると、所定量の水が燃料物質生成デバイスの電解槽の貯水器に導入されることが提案される。「電解処理サイクル」は、特に、本文脈では、電解槽が水素および酸素を生成する電解槽の所定の処理サイクルであると理解されるべきである。電解処理サイクルは、好ましくは、詳細に規定されており、定期的に実行される動作サイクルとして理解されるべきである。特に優先的には、電解処理サイクルは規定された時間を要する。これによって、特に、有利には規定された方法で、特に圧力下で、駆動のため、特に宇宙飛行体のための所定量の水素および酸素を利用可能にすることが可能になる。
【００１３】
さらに、水は、低圧下にて電解槽の貯水器から電解セルへと運ばれることが提案される。この場合、「低圧」とは、特に、本文脈では周囲圧力と少なくともほぼ等しい圧力であると理解されるべきである。好ましくは、周囲圧力からの圧力の差は最大２ｂａｒ(２００ｋＰａ)、優先的には１．５ｂａｒ(１５０ｋＰａ)以下、特に好ましくは最大１ｂａｒ(１００ｋＰａ)である。これは、好ましくは、特に、最大２ｂａｒ(２００ｋＰａ)、優先的には１．５ｂａｒ(１５０ｋＰａ)以下、特に好ましくは最大１ｂａｒ(１００ｋＰａ)の絶対圧力を意味する。このようにして、少量のエネルギーを必要とするだけで、有利には簡単な方法で水の搬送が達成可能である。電解セル内の圧力が低い場合、すなわち、周囲圧力に近い場合、水は、特に、電解セルの小さな超過圧力により電解セルに運ばれてもよい。
【００１４】
電解処理サイクルの電解処理は、電解槽の貯水器内の水が使い果たされるか、または生成されたガスが所望の圧力レベルに達すると自動的に停止することがさらに提案される。これによって、特に規定された方法で、特に圧力下で、駆動のため、特に宇宙飛行体のための所定量の水素および酸素を定期的に提供することが可能になることが有利である。このようにして、規定された電解処理サイクルは有利には簡単に利用可能になり得る。好ましくは、電解処理サイクルの自動停止は、有利には安全な方法で達成可能である。
【００１５】
さらに、電解処理サイクル中、水素および酸素は少なくとも３０ｂａｒ(３０００ｋＰａ)の圧力で生成されることが提案される。好ましくは、電解処理サイクル中、少なくとも５０ｂａｒ(５０００ｋＰａ)の圧力で水素および酸素が生成される。特に好ましくは、電解処理サイクル中、１００ｂａｒ(１００００ｋＰａ)以下の圧力で水素および酸素が生成される。優先的には、電解セル内で所定の圧力を超えると、水素および酸素が貯蔵タンクに運ばれる。このことは、特に、有利には高圧で水素および酸素を提供することを可能にする。好ましくは、ガスは、特に、さらなる積極的な圧力の増加なしに貯蔵可能である。特に、多数の活性成分を少ないままで保つことができる。
【００１６】
さらに、電解処理サイクル中に生成されたガスを貯蔵タンクに運ぶことが提案されている。好ましくは、所定の圧力を超えると、電解処理中に生成されるガスが貯蔵タンクに運ばれる。ガスは、特に、さらなる積極的な圧力の増加なしに、貯蔵タンクに優先的に運ばれる。これによって、ガスの有利な貯蔵を達成することを可能にする。特に、ガスの長期供給が達成可能である。
【００１７】
これ以外にも、電解処理に次いで、電解槽の水素ラインは電解槽の酸素ラインに接続され、残りのガスは環境へと排出されることが提案される。好ましくは、電解処理に次いで、電解槽の水素ラインは電解槽の酸素ラインに連結される。連結は、特に、水素ラインと酸素ラインとの間の圧力補償の目的で、差圧が発生することなくガスを排出するために行われる。優先的には、電解セルは、最大周囲圧力に達するまで、水素ラインおよび酸素ラインを介して脱気される。好ましくは、脱気はバルブを介して行われる。これによって、次の電解処理サイクルのために、電解セル内の圧力を確実に低下させることができる。電解セル内の圧力が低い場合、すなわち、周囲圧力に近い場合、水は、特に単に小さな超過圧力により電解セルに運ばれてもよい。このようにして、優先的には、電解槽のエネルギー要件を小さいままで保つことができる。
【００１８】
電解処理サイクルに対する十分なエネルギーがあり、かつ燃料物質生成デバイスの貯蔵タンク内に十分な空間がある場合、電解処理サイクルを開始できることがさらに提案される。燃料物質生成デバイスのエネルギー貯蔵においてエネルギー閾値を超過し、貯蔵タンク内の圧力が圧力閾値を下回る場合、電解処理サイクルを開始できることが好ましい。ここで、電解処理サイクルは好ましくは自動的に開始される。これによって、特に、貯蔵タンク内に常に十分な量のガスが存在することを保証できる。好ましくは、このようにして、燃料物質が必要とされる場合には、ガスを直接生成する必要はないことがさらに達成可能である。特に、有利には自律型燃料物質生成デバイスが利用可能となり得る。
【００１９】
さらに、本方法の実施は、減少または増加した重力条件下で行われることが提案される。好ましくは、この方法は、大気圏外において、火星のような惑星および月のような衛星で、または火星のような惑星もしくは月のような衛星で１０−６ｘｇ〜１０ｘｇの加速度で、例えば、宇宙飛行体内の処理において、宇宙飛行体内、例えば、宇宙船または衛星でμｇで使用される。本明細書において、ｇ値は、特に、惑星および小惑星の両方もしくは一方におけるもの、または飛行中の宇宙飛行体内におけるものであると理解されるべきである。しかし、原則として、ｇ値は操作上の理由から、例えば１００ｘｇまで激増する可能性がある。例を挙げると、装置および反応器、または装置もしくは反応器は、示されたｇ値とは異なる人為的な処理用加速度にさらされてもよい。「減少した重力条件」とは、本明細書において、０．９ｘｇ以下、有利には１×１０−３ｘｇ以上、好ましくは最低１×１０−６ｘｇ、特に好ましくは最低１×１０−８ｘｇの重力の作用が存在する特定の条件であると理解されるべきである。「増加した重力条件」とは、本明細書において、少なくとも１．１ｘｇ、好ましくは最高１０ｘｇの重力の作用が存在する特定の条件であると理解されるべきである。重力の作用は、重力および人為的な加速、または重力もしくは人為的な加速によって生じさせることができる。原則として、手順上の理由からｇ値が激増する可能性がある。「ｇ」は、地球上の重力加速度の値、すなわち、９．８１ｍ／ｓ２を示す。
【００２０】
本発明による燃料物質生成デバイス、宇宙飛行体、および方法は、本明細書では、上述の用途および実施態様に限定されない。特に、本明細書に記載の機能性を達成する目的で、本発明による燃料物質生成デバイス、宇宙飛行体、および方法は、ここで言及する数とは異なる数の個々の要素、構造部品、およびユニットを含んでもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明により、環境に優しい駆動を実現することが可能である。特に、毒性が強く環境に有害なヒドラジンは省くことができる。その代わりに、水は宇宙飛行体内で運ばれ、燃料物質である水素および酸素に変換される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
さらなる利点は、図面の以下の説明から明らかになるであろう。図面においては、本発明の例示的実施形態が示されている。図面、明細書、および特許請求の範囲は、複数の特徴を組み合わせて含む。当業者は意図的に特徴を別個に考察し、さらに便宜的な組み合わせを見出すであろう。
【図１】本発明による燃料物質生成デバイスおよび駆動ユニットを備えた宇宙飛行体の概略図。
【図２】電解セルを備えた電解槽および２つの貯蔵タンクを有する本発明による燃料物質生成デバイスの概略図。
【図３】一体型の貯水器を有する電解槽の電解セルの概略的な分解断面図。
【図４】本発明による燃料物質生成デバイスを操作するための方法の概略的なフローチャート。
【図５】電解処理サイクル中の、ある期間の間の圧力、流れる電流、および印加される電圧の測定報告の図。
【図６】燃料物質生成デバイスおよび駆動ユニットを備えた宇宙飛行体の概略背面図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１および図６は、宇宙飛行体１２を示す。宇宙飛行体１２は衛星によって実現されている。しかし、原則として、当業者によって好都合であるとみなされる宇宙飛行体１２の異なる実施態様、例えば、ロケット、宇宙探査機、スペースシャトル、宇宙船、宇宙カプセル、および／または宇宙ステーションとしての実施態様もさらに考えられる。宇宙飛行体１２は、減少または増加した重力条件下で、大気圏外において使用されるように構成される。宇宙飛行体１２は、燃料物質生成デバイス１０を備える。さらに、宇宙飛行体１２は、駆動ユニット３４を備える。駆動ユニット３４は、宇宙飛行体１２の大気圏外における操縦のために役立つ。駆動ユニット３４は、詳細には図示されていない少なくとも１つの噴射ノズル３５を備える。駆動ユニット３４は、水素および酸素により作動する。駆動ユニット３４は、少なくとも１つの燃焼室（詳細には図示せず）を備える。例を挙げると、少なくとも１つの噴射ノズル３５が燃焼室の下流に配置される。一例として、駆動ユニット３４は、単一の噴射ノズル３５を備える。本明細書では、特に、噴射ノズル３５が移動可能に配置され、および噴射ノズルの少なくとも１つの案内方向が可変的に実現されるか、または噴射ノズル３５が移動可能に配置され、もしくは噴射ノズルの少なくとも１つの案内方向が可変的に実現されることが考えられる。あるいは、例えば、同じようにまたは異なるように具現化され、特に異なる操縦方向を実現するための異なる配向を有する複数の噴射ノズルが考えられる。
【００２４】
燃料物質生成デバイス１０は、宇宙飛行体１２用に設計されている。燃料物質生成デバイス１０は、電解槽１４を備える。電解槽１４は、水素および酸素を定期的に生成するように構成されている。電解槽１４は、水素および酸素を繰り返し生成するように構成されている。電解槽１４は、エネルギー消費下で電流を介して水を酸素分子および水素分子に分解するように構成されている。電解槽１４は、電解セル１６を備える（図２）。
【００２５】
電解セル１６は、マトリックスセルによって実現される。電解セル１６は、２つの流体空間３６、３８を形成する。電解セル１６は、水素用の流体空間３６および酸素用の流体空間３８を形成する。２つの流体空間３６、３８は、部分的に互いから分離されている。さらに、電解セル１６は、流体空間３６、３８のそれぞれの外部との境界を定める２つの壁要素４０、４２を備える。壁要素４０、４２は、環境とのガス交換に対して流体空間３６、３８を閉鎖するように構成されている。壁要素４０、４２はそれぞれ、板状で具現化されている。壁要素４０、４２はそれぞれフランジにより実現される。壁要素４０、４２は、電気絶縁材料で作られている。しかし、原則として、当業者によって好都合であるとみなされる壁要素４０、４２の異なる実施態様も考えられる。電解セル１６は、フレーム４４をさらに備える。フレーム４４は、２つの流体空間３６、３８の間に配置される。フレーム４４は、詳細には見えない一体化されたダイヤフラムを備える。ダイヤフラムは、第１の流体空間３６と第２の流体空間３８との間に軸方向に配置された膜を実現する。この膜は、電解質１８を収容するように構成されている。電解セル１６は、アルカリ電解質１８を含む。しかし、原則として、当業者によって好都合であるとみなされる他の電解質１８も考えられる。さらに、フレーム４４は一体型のシール４５を備える。シール４５は、シール効果を提供するように構成された隆起シール輪郭によってそれぞれ具現化される。シール４５は、流体空間３６、３８をシールするために、対向する壁要素４０、４２と接触するようにそれぞれ構成されている。シール４５は、それぞれ壁要素４０、４２に押し付けられるように構成されている。シール４５は、フレーム４４の残りの部分に一体的に接続されている。さらに、電解セル１６は、カソードおよびアノードを実現する２つの電極４６、４８を備える。電極４６、４８は、それぞれ流体空間３６、３８のうちの１つに配置される。電極４６、４８は、両側でフレーム４４に当接する（図３）。
【００２６】
さらに、２つの流体空間３６、３８は、水素ライン３０および酸素ライン３２を介して接続可能である。
【００２７】
電解槽１４はまた、電解処理サイクル２２のために水を一時的に貯蔵するために構成された貯水器２０を備える。貯水器２０は、電解処理サイクル２２に必要とされる水の量を正確に一時的に貯蔵するように構成されている。貯水器２０は、５０ｇ未満、好ましくは３０ｇ未満、特に優先的には１０ｇ未満の水を保持する。貯水器２０は、例えば５ｇの水を保持する。貯水器２０は、電解セル１６のフレーム４４内に組み込まれている。貯水器２０は、フレーム４４の（見えない）ダイヤフラムに接続されている（図３）。貯水器２０は貯水庫８０から充填される。
【００２８】
燃料物質生成デバイス１０は、生成された水素の貯蔵のための第１の貯蔵タンク２４と、生成された酸素の貯蔵のための第２の貯蔵タンク２６とをさらに備える。第１の貯蔵タンク２４は、電解槽１４の第２の水素ライン６４を介して電解セル１６の第１の流体空間３６に接続されている。第１の流体空間３６と第１の貯蔵タンク２４との間には、超過圧力バルブ５０が第２の水素ライン６４に配置されている。さらに、第２の貯蔵タンク２６は、電解槽１４の第２の酸素ライン６６を介して電解セル１６の第２の流体空間３８に接続されている。第２の流体空間３８と第２の貯蔵タンク２６との間には、超過圧力バルブ５２が第２の酸素ライン６６に配置されている（図２）。原則として、貯蔵タンクを使用せず、生成されたガスを直接使用する構成が実現可能である。
【００２９】
図４は、駆動ユニット３４および燃料物質生成デバイス１０を備えた宇宙飛行体１２を操作するための方法の概略的なフローチャートを示す。この方法では、電解処理サイクル２２が不規則な間隔で実行される。この方法の実施は、減少または増加した重力条件下で行われる。この方法の実施は、大気圏外において行われる。この方法の実施は、大気圏外において宇宙飛行体１２内で直接行われる。電解処理サイクル２２は、燃料物質生成デバイス１０に実装される。電解処理サイクル２２を開始させると、第１の方法ステップ５４において、所定量の水が燃料物質生成デバイス１０の電解槽１４の貯水器２０に導入される。例えば、５ｇの水がサイクル毎に追加される。水が電解槽１４の貯水器２０内にあるとき、さらなる方法ステップ５６において、電極４６、４８に電圧を印加することができ、適切な電解処理２８が開始する。電解処理２８では、水素および酸素が生成される。電解槽１４の貯水器２０の水は、低圧下で電解セル１６に運ばれる。電解処理２８の開始とともに、さらに、第１の圧力補償バルブ６０が開放され、水と水素との間で圧力補償が行われる。燃料物質生成デバイス１０は、第１の圧力補償バルブ６０を備える。第１の圧力補償バルブ６０は、ダクトを介して貯水器２０と水素ライン３０とに接続されている。第１の圧力補償バルブ６０は、水と水素との間の圧力補償のために構成されている。水素ライン３０は、第１の流体空間３６にさらに接続されている。電解槽１４は、第１の圧力補償バルブ６０を備える。電解処理サイクル２２中に、少なくとも３０ｂａｒ(３０００ｋＰａ)の圧力で水素および酸素が生成される。電解処理サイクル２２中、５０ｂａｒ(５０００ｋＰａ)の圧力で水素および酸素が生成される。電解処理２８中、電解セル１６内の圧力は、さらなる方法ステップ５８において、超過圧力バルブ５０、５２が所定の圧力で開くまで増加する。超過圧力バルブ５０、５２は、例えば、５０ｂａｒ(５０００ｋＰａ)で開く。超過圧力バルブ５０、５２の開放により、生成されたガスは、割り当てられた貯蔵タンク２４、２６に運ばれる。電解処理サイクル２２中に生成されたガスは、こうして貯蔵タンク２４、２６内に運ばれる。駆動ユニット３４は、必要に応じて、これらの貯蔵タンク２４、２６から、さらなるダクトを介して噴射ノズル用のガスを回収することができる。さらなる方法ステップ６２において、電解処理２８は、貯水器２０内の水が使い果たされると自動的に停止する。電解処理サイクル２２の電解処理２８は、電解槽１４の貯水器２０内の水が使い果たされると自動的に完了する。ここで、電解セル１６は依然として圧力下にある。したがって、別の方法ステップ６８では、水素ライン３０が酸素ライン３２に接続され、次いでガスが環境中に排出される。電解処理２８に続いて、電解槽１４の水素ライン３０は電解槽１４の酸素ライン３２に接続され、残留ガスは環境中に排出される。水素ライン３０と酸素ライン３２との連結は、ライン間の圧力補償の目的で、差圧が発生することなくガスを排出するために行われる。この連結は、水素ライン３０と酸素ライン３２とを接続する２つの接続バルブ７０、７２を開くことによって行われる。残留ガスは、さらなるバルブ７４を介して環境中に一緒に排出可能である。ここで、電解セル１６は、最大周囲圧力に達するまで脱気される。ここで、排出されるガスの量は、電解セル１６内の流体空間３６、３８の体積が構造的に小さく保たれるため、かなり小さい。脱気後、電解処理サイクル２２が完了する。貯水器２０には、その後、水を再び充填することができる。この状態では、電解セル１６の流体空間３６、３８内の圧力が小さい、すなわち、周囲圧力に近いため、水を小さな超過圧力により貯水器２０に運ぶことができる。したがって、電解処理サイクル２２が完了した後、新しい電解処理サイクル２２が開始できる。電解処理サイクル２２に対する十分なエネルギーがあり、かつ燃料物質生成デバイス１０の貯蔵タンク２４、２６内に十分な空間がある場合、新たな電解処理サイクル２２を開始できる。この目的のために、さらなる方法ステップ７６において、燃料物質生成デバイス１０のエネルギー貯蔵部（詳細には図示せず）のロード状態が監視される。さらに、燃料物質生成デバイス１０の貯蔵タンク２４、２６内の圧力が監視される。次に、分岐７８は、燃料物質生成デバイス１０のエネルギー貯蔵部のロード状態の閾値を超過したかどうか、および燃料物質生成デバイス１０の貯蔵タンク２４、２６内の圧力が、対応する閾値を下回っているかどうかの確認を含む。燃料物質生成デバイス１０のエネルギー貯蔵部のロード状態の閾値を超過していないか、または燃料物質生成デバイス１０の貯蔵タンク２４、２６の圧力が、対応する閾値を下回っていない場合、方法ステップ７６が繰り返される。燃料物質生成デバイス１０のエネルギー貯蔵部のロード状態の閾値を超過していないか、または燃料物質生成デバイス１０の貯蔵タンク２４、２６の圧力が、対応する閾値を下回っていない場合、新たな電解処理サイクル２２が開始され、方法ステップ５４が繰り返される。
【００３０】
生成された水素および酸素は、貯蔵タンク２４、２６からさらなるダクト（図示せず）を介して駆動ユニット３４に運ばれる。駆動ユニット３４では、化学的ガス混合物の処理が行われる。燃焼室では、例えば触媒バーナを用いてガス混合物が燃焼される。水素と酸素とのガス混合物の燃焼によって推力が発生する。推進は、噴射ノズル３５によって実行および前進するか、または噴射ノズル３５によって実行もしくは前進される。噴射ノズル３５は、少なくとも１つの燃焼室の下流に配置される。宇宙飛行体１２は推力によって駆動される。あるいは、ガス混合物の処理は、さらなるダクト内で既に実行されていてもよく、このような場合、ガス混合物は、燃焼のために駆動ユニット３４の少なくとも１つの燃焼室内に直接運ばれる。また、生成されたガスを流体空間３６、３８から駆動ユニット３４に直接運ぶことも考えられる。
【００３１】
図５は、電解処理サイクル２２中の、ある期間の間の第１の流体空間３６内の水素圧力８２、第２の流体空間３８内の酸素圧力８４、電解セル１６の流れる電流８６、および電解セル１６の印加される電圧８８の測定報告の例示的な図を示す。この図は、時間ｔにわたる第１の流体空間３６内の水素圧力８２および第２の流体空間３８内の酸素圧力８４を棒グラフで示す。この図はさらに、時間ｔにわたるアンペアＡでの電解セル１６の電流８６を示す。この図はさらに、時間ｔにわたるボルトＶでの電解セル１６の電圧８８を示す。ここでは、示された期間は、電解処理２８および方法ステップ６８による後続する脱気を伴う電解処理サイクル２２を示す。時間ｔは分で与えられる。
【外国語明細書】
2018111493000001.pdf