Иллюстрация: Pralay Gayen et al. / PNAS. Как стало известно, достаточно недавно ученые разработали инновационный метод получения кислорода и водорода из жидких солевых растворов, аналогичных тем, которые могут существовать в марсианских озерах. Данный метод основан на хорошо известном всем электролизе. Однако здесь используется оксид свинца-рутения, который выступает в качестве высокоэффективного электрокатализатора для эффективного производства кислорода. Полученные в работе результаты демонстрируют, что эффективность выработки кислорода с помощью данной установки в 25 раз выше, чем у системы MOXIE, запущенной на Марс в рамках миссии “Марс-2020”. Кроме того, размер и вес устройства жизнеобеспечения, основанного на этой технологии, будет существенно меньше, чем у существующих аналогов. Данное исследование, опубликованное в журнале PNAS, имеет важное значение для перспектив колонизации Марса.
Схема установки. В красной области вырабатывается кислород, в синей — водород. Pralay Gayen et al. / PNAS
Ввиду суровых условий на Красной планете, с разреженной атмосферой, состоящей преимущественно из углекислого газа, и большими температурными перепадами, создание эффективной системы жизнеобеспечения является критически важным для обеспечения людей кислородом для дыхания и топливом для энергоснабжения.
Для решения первой задачи в NASA создали MOXIE (Mars Oxygen ISRU Experiment) — экспериментальную установку для получения кислорода из атмосферного углекислого газа путем электролиза. Для проверки эффективности такого метода в полевых условиях установка стала частью марсохода «Персеверанс» (Perseverance), запуск которого осуществили 30 июля 2020 года в рамках миссии «Марс-2020».
Альтернативным источником не только кислорода, но и водорода на Марсе может стать вода, первые прямые доказательства существования которой на Красной планете были получены еще в 1971 году. Особо привлекательными для использования в прикладных целях, однако, были бы запасы соленой воды, примеси в которой позволили бы ей оставаться в жидком состоянии даже при низких температуре и давлении. Первые следы такого рассола (жидкого соляного раствора) с перхлоратом магния в качестве основного компонента обнаружили на Марсе в 2015 году, а в 2018 году под полярным льдом планеты нашли водоем диаметром около 20 километров, которой мог образоваться из-за вулканической активности. Позже планетологи подтвердили, что такие озера на Марсе правда существуют и могут быть многочисленными.
Теперь же Пралай Гайен (Pralay Gayen) из Университета Вашингтона в Сент-Луисе вместе с коллегами создал установку по получению кислорода и водорода из соляного раствора, близкого по составу и температуре к таковому в марсианских озерах. В качестве рассола в эксперименте использовался раствор перхлората магния в воде с концентрацией 2,8 моль на литр, охлажденный до минус 36 градусов Цельсия и продуваемый углекислым газом (последний играл роль марсианской атмосферы). В качестве электрокатализатора выработки кислорода ученые использовали оксид свинца-рутения Pb2Ru2O7-δ, эффективность которого они ранее показали для щелочных растворов.
В роли электрокатализатора выработки водорода выступала платина на активированном угле — стандартный в этом случае катализатор, а в качестве сепаратора использовалась коммерчески выпускаемая анионообменная мембрана.
В ходе исследования ученые показали, что оксид свинца-рутения как электрокатализатор действительно в разы эффективнее обычно используемого в подобных установках оксида рутения. После поведение созданной установки изучили в широком диапазоне температур от −36 до 21 градуса Цельсия и не увидели радикальных колебаний в эффективности и темпе выработки.
Выход по току экспериментальной установки составил 70 процентов, а энергоэффективность оказалась в промежутке между 36 и 70 процентами (в зависимости от напряжения, подаваемого на пластины). Кроме того, установка оказалась устойчива к деградации катализатора: ученым не удалось найти следы рутения в растворе после 300-минутной работы устройства.
Темпы выработки кислорода (синие точки) и водорода (красные точки) в зависимости от плотности катодного тока. Pralay Gayen et al. / PNAS
Также исследователи сравнили достигнутые темпы выработки кислорода с показателями MOXIE в 10-22 грамм в час: оказалось, что при той же подаче энергии созданная установка производит в 25 раз больше кислорода, чем эксперимент на марсоходе «Персеверанс». Чтобы иметь те же темпы выработки кислорода, что и у MOXIE, устройство должно было бы обладать электродами с площадью 28-62 квадратных сантиметра, а для обеспечения жизнедеятельности спящего и активно двигающегося человека этот параметр должен был бы составить 375 и 1235 квадратных сантиметра соответственно. При этом масса и объем установки будет меньше, чем если использовать технологию, заложенную в MOXIE. Более того, разработанный способ получения кислорода не требует его последующей очистки, в то время как в ходе электролиза в MOXIE вырабатывается и монооксид углерода, который необходимо отфильтровывать.
Зависимость от потребляемой мощности темпа выработки кислорода установки (синяя линия), а также ее мысы и объема для обеспечения различных режимов жизнедеятельности человека (черные линии). Синяя точка — мощность и темп выработки кислорода у MOXIE. Pralay Gayen et al. / PNAS
Как ученым удалось получить кислород на Марсе
Аппарат MOXIE (Фото: NASA / JPL-Caltech)
Марсоход Perseverance, находящийся на Марсе с июля 2020 года, смог впервые добыть кислород из атмосферы планеты. Разбираемся, что это событие значит для будущих космических путешествий
Атмосфера Марса существенно отличается от земной — она куда менее плотная и почти на 96% состоит из углекислого газа, следовательно, дышать марсианским воздухом люди не смогут. Тем не менее, последние новости доказывают, что кислород на Марсе добыть все-таки возможно. Рассказываем, как удалось получить кислород и приближает ли нас это к путешествию на Красную планету.
Как удалось получить кислород?
Перед отправкой на Марс, робот Perseverance снабдили семью научными разработками, направленными на изучение планеты, но сейчас все внимание направлено на девайс под названием MOXIE.
MOXIE — это целая экспериментальная система, направленная на утилизацию и переработку местных ресурсов, в данном случае — в кислород. Другими словами, MOXIE создает кислород по принципу деревьев — вдыхает углекислый газ, а выдыхает кислород. Но процесс переработки включает в себя много деталей, а атмосфера Марса более «тонкая», чем у Земли и на 96% состоит из углекислого газа. Сначала MOXIE втягивает в себя марсианский «воздух» специальным насосом, затем с помощью электрохимического процесса отделяет один атом кислорода от каждой молекулы углекислого газа. Для такой конверсии требуются высокие температуры — около 800 °C, поэтому система оборудована термостойкими материалами, а поверхность и вовсе покрыта тонким слоем золота, который отлично отражает инфракрасные лучи и не позволяет высоким температурам повредить другие части Perseverance. Пока газы проходят через систему, MOXIE анализирует, сколько кислорода произведено, насколько он чистый и как эффективно работает сам аппарат. После каждого теста все газы вентилируются обратно в атмосферу Марса.
Внутреннее устройство MOXIE (Фото: NASA / JPL-Caltech)
Теперь мы можем дышать кислородом, созданным на Марсе?
Не совсем. Дело в том, что сам MOXIE является экспериментальным прототипом размером с тостер, встроенным в Perseverance, а не полноценной отдельной системой. Конкретно этот аппарат не сможет выработать достаточно кислорода для длительной миссии: за год работы на поверхности Марса четырем астронавтам понадобится примерно 1 т кислорода, а в свой первый заход MOXIE произвел, даже по мнению NASA, довольно скромную массу — около 5 г, чего хватит на 10 минут дыхания одного человека. Но нынешний прототип и не рассчитан на большие объемы, главная цель ученых — посмотреть, справится ли он с основным техзаданием, а именно — минимум десять раз произвести около 6 г кислорода 98%-чистоты за час.
Первый запуск прошел вполне успешно, но дальше MOXIE ждут более сложные задачи. Поскольку в будущем полноценной системе придется работать при любых погодных условиях Марса, следующие девять тестовых циклов MOXIE пройдут в разное время суток, различных температурных режимах и, если удастся, даже во время пылевых бурь, которые могут быть очень опасны не только для будущих астронавтов, но и для роботов: в 2019 году из-за гигантской бури марсоход Opportunity перестал выходить на связь, и NASA была вынуждена завершить миссию.
Пылевая буря на Марсе, 2001 год (Фото: NASA / JPL-Caltech / MSSS)
Что это даст космическим экспедициям?
По сути, речь идет о реальной возможности не только отправить, но и вернуть астронавтов домой с Марса. Конечно, кислород нужен самому экипажу, но научный руководитель проекта MOXIE Майкл Хэтч считает это лишь приятным бонусом, а главной целью — обеспечение достаточным количеством кислорода ракеты, чтобы произвести запуск с поверхности планеты. Чтобы сжечь топливо во время запуска, космическому кораблю понадобится около 25 т кислорода. Везти такой объем с Земли на Марс очень дорого и небезопасно.
Поэтому успех маленького MOXIE показал ученым самое главное — технология работает, а значит пилотируемая экспедиция NASA на Марс к 2030 году становится все более реальной. Разработки нового прототипа уже ведутся, и в ближайшем будущем обновленный MOXIE будет почти как сам Perseverance — весом около 1 т, размером чуть больше бытовой печки, а вырабатывать аппарат станет уже тонны кислорода.
Еще одно важное последствие успеха MOXIE — шаг в сторону усовершенствования систем утилизации и переработки местных ресурсов. В будущем такие устройства смогут производить из внеземных продуктов не только кислород, но и, например, питьевую воду, строительные материалы, топливо для ракет, гигиенические продукты и даже создавать условия для выращивания растений. Это значит, что люди, находящиеся на других планетах, не будут зависеть от земных ресурсов, а смогут получать все необходимое самостоятельно на других планетах, что критически важно для длительных космических миссий. NASA рассчитывает продемонстрировать и протестировать перед экспедицией на Марс такие технологии во время миссии на Луну «Артемис» в 2024 году — в рамках программы Lunar Surface Innovation Initiative планируется создавать продукты, используя лунные материалы — например, конвертировать лед на Луне в питьевую воду.
Существуют другие способы получить кислород на Марсе?
Альтернативные подходы есть — например, ученые из Государственного исследовательского университета Северной Каролины предполагают, что кислород можно будет получать из растений, выращенных непосредственно на Марсе. Уже ведутся работы по созданию таких растений, которые смогут выжить в условиях Красной планеты. В основе лежит идея совместить особенности микроорганизмов экстремофилов, которые могут жить в самых неблагоприятных условиях на Земле, с растениями. Для этого используется техника генетического разделения — необходимые гены отделяются от экстремофилов и внедряются в растения. Но даже такие гибриды невозможно посадить в саму почву Марса, но предположительно, удастся вырастить в теплице на марсианской базе, хотя и там условия все равно будут далеки от земных. Если эксперимент пройдет успешно, и гибриды приживутся на Марсе, они смогут обеспечить астронавтов кислородом, едой и даже лекарствами.
Фото: North Carolina State University
Другой возможный способ получения кислорода на Марсе придумали ученые из Университета Вашингтона в Сент-Луисе: профессор Виджей Рамани и его команда предлагают использовать для этого соленые озера под поверхностью Марса. В 2020 году сеть соленых озер была обнаружена под ледниками на Южном полюсе планеты — из-за высокой концентрации соли снижается точка замерзания, и вода может находиться в жидкой форме. Методика, над которой работает Рамани, предполагает забор воды из таких озер и ее электролиз — разделение на водород и кислород. Ученые рассчитывают, что через 10-15 лет их разработки могут дополнить MOXIE и другие системы переработки ресурсов.
Полярная шапка Марса (Фото: NASA / JPL-Caltech / MSSS)
Авторы: Никита Козырев, Екатерина Титчева
Источникы: https://nplus1.ru/, https://trends.rbc.ru/
