С момента отправки первого человека в космос в 1960-х годах решение одной ключевой задачи остаётся нерешённым: эффективное и надёжное производство кислорода в космосе. На Международной космической станции эта проблема решается с помощью тяжёлых и энергоёмких систем, которые не идеальны для длительных космических миссий.
Группа исследователей из Университета Уорика, Центра прикладных космических технологий и микрогравитации (ZARM) при Университете Бremen и Технологического института Джорджии описывает удивительно простое и элегантное решение, которое сделает будущее производство кислорода более лёгким, простым и устойчивым — с использованием магнетизма.
Профессор Катерина Бринкерт, почётный профессор Университета Уорика, профессор технологий освоения человеком космического пространства и директор ZARM, сказала: «Мы смогли доказать, что нам не нужны центрифуги или какие-либо механические движущиеся части для отделения произведённого водорода и кислорода от жидкого электролита. Нам даже не нужна дополнительная мощность. Вместо этого у нас полностью пассивная система, не требующая особого обслуживания».
Обычный способ производства кислорода в космосе
Общепринятый метод производства кислорода в космосе — электролиз воды, процесс, при котором вода расщепляется на водород и кислород с помощью электродов, погружённых в электролит. Однако в условиях невесомости газовые пузыри не всплывают вверх. Вместо этого они имеют тенденцию прилипать к электродам и оставаться во взвешенном состоянии в жидкости, требуя сложной, громоздкой и энергоёмкой системы управления жидкостью, что нецелесообразно для длительных миссий.
Международная группа учёных из Университета Уорика, Технологического института Джорджии и ZARM смогла продемонстрировать, что простое решение с использованием магнитного поля может поддерживать отделение газовых пузырей от электродов в условиях микрогравитации, созданной на падающей башне в Бремене, без громоздкого оборудования. Работа опубликована в Nature Chemistry.
Доктор Альваро Ромеро-Кальво, доцент Технологического института Джорджии, сказал: «Наша команда смогла доказать, что магнитные силы могут практически управлять электрохимическими пузырьковыми потоками в условиях микрогравитации, отходя от современного уровня в механике жидкостей с низкой гравитацией и открывая возможности для будущих пилотируемых космических полётов».
Использование постоянных магнитов
Используя готовые постоянные магниты, исследовательская группа разработала пассивную систему фазового разделения, которая отталкивает пузыри от электродов и собирает их в специально отведённых местах.
Для достижения этого прорыва команда разработала два взаимодополняющих подхода, позволяющих собирать пузырьки кислорода с электрода. Первый использует то, как вода естественным образом реагирует на магниты в условиях микрогравитации, направляя газовые пузыри к точкам сбора.
Второй метод использует магнитогидродинамические силы, которые возникают в результате взаимодействия между магнитными полями и электрическими токами, генерируемыми при электролизе. Это создаёт вращательное движение в жидкости, которое отделяет газовые пузыри от воды за счёт конвективных эффектов, достигая фазового разделения, аналогичного механическим центрифугам, используемым на МКС, но используя магнитные силы вместо механического вращения.
Результаты, опубликованные сегодня, являются результатом четырёх лет совместных исследований. Альваро Ромеро-Кальво из Технологического института Джорджии предложил первоначальную идею и выполнил расчёты и численное моделирование ещё в 2022 году. Затем он продолжил разработку системы для расщепления воды на кислород и водород с использованием магнитных эффектов.
Чтобы доказать и количественно оценить теорию в электро- и фотоэлектрохимических установках, команда Катарины Бринкерт в Уорике (до 2024 года), а затем в ZARM разработала эксперименты и устройства для оценки в условиях микрогравитации.
Доктор Шаумика Сараванабаван, кандидат наук, исследователь из Университета Уорика, сказала: «Во время моих поездок в ZARM мы подтвердили эффект магнитной плавучести для фазового разделения в (фото)электролизных элементах в ходе многочисленных экспериментов на падающей башне, используя материалы электродов, которые мы частично изготовили в Уорике. Я горжусь тем, что внесла свой вклад в продвижение устойчивых энергетических технологий за пределами Земли».
Эксперименты подтвердили, что магнитные силы могут улучшить отрыв и перемещение газовых пузырей и повысить эффективность электрохимических элементов до 240%.
Омер Акай, научный сотрудник ZARM, Университет Бremen, сказал: «Наши разработанные ячейки позволяют производить водород и кислород из воды путём электролиза в условиях микрогравитации с почти земной эффективностью».
Этот прорыв решает давнюю инженерную проблему космических полётов и открывает двери для разработки более простых, надёжных и устойчивых систем жизнеобеспечения для освоения человеком космоса. Следующим шагом для команды является дальнейшая проверка системы с помощью суборбитальных ракетных полётов.
Предоставлено Университетом Уорика.