|
В марсианских условиях сложнее добывать кислород
|
|
|
|
Английские химики провели исследования процесса электролиза воды в условиях неземной гравитации — от 0,166g до 8g. При пониженной силе тяжести, которую ученые имитировали центрифугой в условиях параболического полета, замедляется отвод кислорода от электродов, что приводит к снижению эффективности процесса получения кислорода на шесть процентов при проведении электролиза на Марсе и на 11 процентов на Луне. Чтобы нейтрализовать падение эффективности, достаточно поднять мощность электролизера на 1,1 процента. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.
|
|
|
|
Получение кислорода на Марсе — одна из важнейших задач для колонизации планеты. Прямые эксперименты в этой области начались буквально только что — инженеры из NASA отправили вместе с марсоходом «Персеверанс» твердооксидный электролизер MOXIE на базе оксида циркония, стабилизированного иттрием. Принцип его работы заключается в разложении углекислого газа до угарного газа и молекулярного кислорода с помощью приложения электрического тока. В апреле 2021 года MOXIE успешно справился с конверсией углекислого газа в кислород — за час работы один такой электролизер выработал 5,4 грамма кислорода, этого достаточно для дыхания человека в течение 10 минут.
|
|
|
Альтернативными способами получать кислород на Марсе являются электролиз воды, в процессе которого помимо кислорода выделяется и водород (он тоже может пригодиться), и электролиз реголита в расплаве солей, с помощью которого также можно получить металлы. Однако в обоих этих способах присутствуют пузыри газа в жидкости, поведение которых в условиях другой планеты может отличаться от того, что наблюдается на Земле.
|
|
|
|
Исследовать влияние силы тяжести на процесс электролиза воды решила команда электрохимиков под руководством Марка Саймса (Mark D. Symes) из университета Глазго. Ученые провели электролиз в условиях пониженной гравитации при использовании микрогравитационных параболических полетов, а для симуляции повышенной силы тяжести они использовали центрифугу. По задумке исследователей эксперименты при малой силе тяжести можно аппроксимировать из экспериментов с использованием центрифуги — что гораздо дешевле и проще в реализации, чем организация параболических полетов, в которых время эксперимента ограничено 20 секундами. Для установления закономерности ученые провели серию экспериментов в широком диапазоне ускорений — от 0,1g до 8g, чего раньше никто еще не делал.
|
|
|
|
Оказалось, что в области высокой силы тяжести напряжение в ячейке падает с логарифмической зависимостью, при этом данные экспериментов при пониженной силе тяжести продолжают этот тренд, что позволяет сделать обобщение и в будущем проверять газово-жидкостные процессы, связанные с гравитацией, в контролируемых центрифугах. После установления электрохимических параметров макросистемы в зависимости от силы тяжести ученые решили взглянуть более подробно на процесс образования пузырей кислорода на поверхности катода. Для этого ученые установили в подвижную ячейку центрифуги видеокамеру и фиксировали процессы зарождения, роста, срастания и отрывания от поверхности пузырьков кислорода. Оказалось, что при пониженной силе тяжести на катоде образуется слой пены из мелких пузырьков, которые медленно двигались в сторону от направления ускорения.
|
|
|
|
Так как пузырьки двигались быстрее, чем разрешение камеры, то количественно оценить их размеры оказалось невозможным. Для оценки покрытия электрода пеной пузырьков ученые сравнивали нормированный цвет пикселя с фотографии электрода с предварительным переводом изображения в черно-белую гамму. Количество пены, как оказалось, так же логарифмически зависит от силы тяжести. Более того, в случае пониженной силы тяжести краевой угол смачивания пузырька оказался меньше на 18 градусов, чем в условиях Земной гравитации. Это означает, что пузыри, которые на Земле уже оторвались бы от поверхности электрода, стабильно находятся на его поверхности — а значит, уменьшают эффективность электролиза.
|
|
|
|
Объясняя причину нелинейной зависимости эффективности электролиза от силы тяжести, ученые рассмотрели процесс роста и отрыва пузырьков с позиции сил — в данном процессе основные силы представлены архимедовой силой, которая выталкивает более легкий пузырек газа в противоположную направлению гравитации сторону, и силы поверхностного натяжения, которая не позволяет пузырьку отрываться от поверхности электрода. Краевой угол смачивания и диаметр контакта в меньшей степени зависят от силы тяжести, чем сила Архимеда — а потому в условиях пониженной силы тяжести более важную роль играет поверхностное натяжение, из-за чего большее количество пузырей остается на поверхности электрода.
|
|
|
|
При оценке эффективности электролиза ученые сформировали следующие указания технических условий электролиза — если проводить его при тех же параметрах, что и на Земле, то выход по кислороду снизится на 11 процентов, однако решить эту проблему можно всего лишь увеличив мощность тока на 1,1 процента в гальваностатической реализации электролиза (когда постоянной остается сила тока, а не потенциал в отличие от потенциостатической реализации). Однако стоит учесть, что эти числа получены для маленьких ячеек и их масштабирование на большие электролизеры может привести к куда большим потерям энергии, что необходимо учитывать при планировании колонизационных миссий для эффективного обеспечения людей кислородом.
|
|
|
|
Таким образом, электрохимики показали, что эксперименты в условиях повышенной силы тяжести, которую несложно контролировать и использовать в Земных условиях, можно распространить на малую силу тяжести, наблюдаемую на космических телах меньшего размера и массы, чем Земля. Это поможет лучше предсказывать технологические процессы и подстраивать их под реалии новых условий. В 2017 году биологи из Америки уже установили, что микрогравитация положительно влияет на бактерии, а эксперименты в 2017 году по выращиванию картофеля в условиях марсианской почвы и пониженной силе тяжести принесли свои плоды.
|
|
|
|
Источник
|
