Магниты позволяют эффективнее производить кислород в космосе
Уже более шестидесяти лет инженеры бьются над одной из ключевых проблем пилотируемой космонавтики: как эффективно и надежно производить кислород для дыхания людей. Международная команда ученых, кажется, нашла простое и изящное решение этой задачи. Они предлагают использовать обычные магниты, чтобы усовершенствовать системы жизнеобеспечения на космических станциях и кораблях.
Проблема с производством кислорода в космосе кроется в невесомости. На Земле кислород получают методом электролиза, когда электрический ток пропускают через воду, и она распадается на водород и кислород. Пузырьки этих газов просто всплывают наверх. В космосе же из-за отсутствия гравитации пузырьки никуда не всплывают. Они остаются висеть в воде и прилипают к электродам, что мешает процессу.
Чтобы справиться с этим, на Международной космической станции используют сложные и крупные системы, например, российскую «Электрон-ВМ» и американскую OGS. Они работают с помощью центрифуг, которые силой отделяют газ от жидкости. Эти установки тяжелые, занимают много места и потребляют огромное количество энергии, около трети от всех систем жизнеобеспечения станции. Для будущих долгих экспедиций, например, к Марсу, такой подход не годится, ведь в космосе важен каждый килограмм и каждый ватт энергии.
Как эксперимент NASA производит кислород из марсианского воздуха
Новое решение, предложенное учеными из Уорикского университета, Бременского центра прикладных космических технологий и микрогравитации (ZARM) и Технологического института Джорджии, позволяет отказаться от сложных механизмов. Как объяснила профессор Катарина Бринкерт из ZARM: «Для разделения водорода и кислорода при расщеплении воды в космосе не нужны сложные центрифуги или другие механические устройства. Нам даже не нужно тратить на это дополнительной энергии. Это полностью пассивная система, которая не требует особого ухода».
Исследователи выяснили, что обычные неодимовые магниты, встроенные в установку для электролиза, повышают ее эффективность на целых 240%. Это значит, что кислород производится почти так же эффективно, как на Земле.
Работает это сразу двумя способами. Первый способ использует естественное свойство воды слабо отталкиваться от магнитов. Пузырьки газа на магнитное поле почти не реагируют. В результате возникает эффект магнитной плавучести, который аккуратно отталкивает пузырьки от электродов и направляет их в нужное место для сбора.
Второй способ основан на магнитогидродинамических силах. Это явление возникает, когда магнитное поле взаимодействует с электрическим током, который и так уже используется для электролиза. Это взаимодействие закручивает жидкость, создавая в ней небольшие вихри. Эти вихри, как крошечные центрифуги, отделяют газ от воды, но делают это без единой движущейся детали.
Эта идея родилась в результате четырехлетней совместной работы. Аспирант из Технологического института Джорджии Альваро Ромеро-Кальво еще в 2022 году предложил использовать магниты и провел все необходимые расчеты. Затем команда Катарины Бринкерт разработала и создала экспериментальные устройства. Чтобы проверить теорию, ученые провели серию опытов в специальной установке ZARM под названием «Бременская падающая башня». Эта башня позволяет на короткое время создавать условия, очень близкие к невесомости. Эксперименты полностью подтвердили расчеты.
Омер Акай, научный сотрудник ZARM, отметил, что разработанные ими ячейки позволяют производить водород и кислород в невесомости с эффективностью, близкой к земной. Технология не только решает старую инженерную задачу, но и открывает путь к созданию более легких, надежных и дешевых систем жизнеобеспечения для освоения дальнего космоса. Следующий шаг команды — это проверка системы в условиях реального полета на суборбитальных ракетах.
С результатами исследования можно ознакомиться в журнале Nature Chemistry.
Изображение U.S. Department of Agriculture
Самое популярное
