След малко повече от десетилетие, НАСА за първи път планира да изпрати астронавти на Марс. Тази мисия ще се основава на десетилетия роботизирани изследвания, ще събира проби от повърхността и ще ги връща на Земята за анализ.
Като се има предвид огромното разстояние, всяко действие на марсианската повърхност ще трябва да бъде максимално самоосигурявано, което означава да се снабдяват с каквото могат на място.
Това включва използването на местната вода за създаване на кислороден газ, питейна вода и ракетно гориво, което представлява предизвикателство, като се има предвид, че всяка течна вода вероятно ще бъде солена.
За щастие екип от изследователи от инженерното училище McKelvey от Вашингтонския университет в Сейнт Луис (WUSTL) създаде нов тип електролизна система, която може да превърне солената вода в използваеми продукти, като същевременно е компактна и лека.
Екипът е ръководен от Виджай Рамани, Реймънд Х. Виткоф, уважаван университетски професор в катедрата по енергетика, околна среда и химическо инженерство (ЕИОЕ) на WUSTL. Към тях се присъединиха Пралай Гайен и Шрихари Санкарасубраманян, двама изследователи от Центъра за слънчева енергия и съхранение на енергия (SEES) в WUSTL.
Изобретеният нов инструмент е в съответствие с ангажимента на НАСА за технологиите за използване на ресурсите на място (ISRU), което ще позволи на бъдещите мисии да бъдат по-малко зависими от снабдяване от Земята.
Това също е в съответствие с ангажимента на НАСА и други космически агенции за намаляване на разходите за изстрелване на полезни товари в космоса, тъй като е по-ефективен и компактен от настоящите системи за електролиза.
Традиционните електролизатори разчитат на електричество и горивни клетки, направени от електролит, за да разграждат химичните съединения и да ги рекомбинират, за да създадат нови.
Марсоходът Perseverance (който ще пристигне на Марс до 18 февруари 2021 г.) извършва експеримент, известен като Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE), който ще разчита на твърда оксидна електролизна клетка (SOEC) за събиране на кислороден газ от атмосферния въглероден диоксид ( CO2).
Водните електролизатори използват подобен процес, за да разделят химически водата и да произвеждат кислороден газ (O2) и водороден газ (H2), като последният може да се използва за създаване на течен водород или хидразиново гориво (N2H4).
За съжаление тези инструменти не могат да работят със саламура и са ограничени до пречистена, дейонизирана вода. Единственият друг вариант е предварително да се отстрани солта, което изисква добавяне на обезсолител.
Разчитайки на нов подход, екипът на WUSTL успява да създаде първия електролизатор, който може да работи със солени води, които са често срещани на Марс. Както каза Рамани в публикацията на WUSTL:
„Нашият нов солен електролизатор включва оловен рутенатен пирохлорен анод, разработен от нашия екип заедно с платина върху въглероден катод. Тези внимателно проектирани компоненти, съчетани с оптималното използване на традиционните принципи на електрохимичното инженерство, осигуриха тази висока производителност.“
Марсианските саламури са потвърдени през последните години от мисии като Pheonix Mars Lander, които взеха проби от марсианска почва през 2008 г. и установиха високи нива на сол след разтопяване на леда.
По същия начин сондата на ЕКА на Mars Express откри няколко подземни източника на вода, които остават в течно състояние поради наличието на магнезиев перхлорат.
Поради тези причини система, която може да работи със солена вода (макар и да не разчита на допълнителен инструмент за обезсоляване), може значително да подобри операциите на ISRU на Марс и други дестинации.
Както обясни Санкарасубраманян, тяхната система е не само подходяща за работа с марсианска вода, но всъщност работи по-добре с нея:
„Парадоксално е, че разтвореният перхлорат във водата, така наречените примеси, всъщност помагат в среда като тази на Марс. Те предотвратяват замръзването на водата, а също така подобряват работата на електролизерната система, като намаляват електрическото съпротивление.“
Въз основа на предишни тестове от техници в Масачузетския технологичен институт (MIT), електролизаторът MOXIE показа, че може да произвежда до 10 g / час кислороден газ, използвайки мощност от 300 вата.
За сравнение, инструментът, който Рамани и колегите му разработиха, успя да произведе до 250 g / час кислороден газ, използвайки същото количество енергия (да не говорим за съпътстващия водороден газ).
В допълнение, системата функционира при симулирани марсиански условия – много ниско въздушно налягане и температури до -36C, както и при подобни на Земята условия.
„Нашият марсиански солен електролизатор радикално променя логистичния анализ на мисиите до Марс и извън него“, добави Рамани.
„Тази технология е еднакво полезна и на Земята, където отваря океаните като жизнеспособен източник на кислород и гориво.“
Пралай Гайен, от групата на Рамани, добавя:
„След като демонстрирахме тези електролизатори при взискателни марсиански условия, възнамеряваме да ги разгърнем и при много по-меки условия на Земята, за да използваме солените водни храни за производството на водород и кислород, например чрез електролиза на морската вода.“
На Земята електролизаторите с морска вода могат да се използват например на борда на подводници, за да позволят продължителни дълбоководни мисии.
Това също може да позволи значително разширяване в производството на алтернативни горива, където електролизаторите могат да създават водородни горивни клетки от морска вода (които разчитат на водороден газ и кислороден газ за генериране на електричество).
