Електроліз води в марсіанських умовах виробив на шість відсотків менше кисню

Англійські хіміки провели дослідження процесу електролізу води в умовах неземної гравітації - від 0,166g до 8g. При зниженій силі тяжкості, яку вчені імітували центрифугою в умовах параболічного польоту, сповільнюється відведення кисню від електродів, що призводить до зниження ефективності процесу отримання кисню на шість відсотків при проведенні електролізу на Марсі і на 11 відсотків на Місяці. Щоб нейтралізувати падіння ефективності, достатньо підняти потужність електролізера на 1,1 відсотка. Результати роботи опубліковані в журналі.

Від редактора

У новій версії була виправлена фактична неточність у заголовку - в марсіанських умовах вироблення знизиться не на 11, а на 6 відсотків. Також було виправлено неправильне використання слова гравітація на силу тяжкості.

Отримання кисню на Марсі - одне з найважливіших завдань для колонізації планети. Прямі експерименти в цій області почалися буквально тільки що - інженери з NASA відправили разом з марсоходом «Персеверанс» твердооксидний електролізер MOXIE на базі оксиду цирконію, стабілізованого ітрієм. Принцип його роботи полягає в розкладанні вуглекислого газу до чадного газу і молекулярного кисню за допомогою програми електричного струму. У квітні 2021 року MOXIE успішно впорався з конверсією вуглекислого газу в кисень - за годину роботи один такий електролізер виробив 5,4 грама кисню, цього достатньо для дихання людини протягом 10 хвилин.

Альтернативними способами отримувати кисень на Марсі є електроліз води, в процесі якого крім кисню виділяється і водень (він теж може стати в нагоді), і електроліз реголіту в розплаві солей, за допомогою якого також можна отримати метали. Однак в обох цих способах присутні бульбашки газу в рідині, поведінка яких в умовах іншої планети може відрізнятися від того, що спостерігається на Землі.

Досліджувати вплив сили тяжкості на процес електролізу води вирішила команда електрохіміків під керівництвом Марка Саймса (Mark D. Symes) з університету Глазго. Вчені провели електроліз в умовах зниженої гравітації при використанні мікрогравітаційних параболічних польотів, а для симуляції підвищеної сили тяжкості вони використовували центрифугу. За задумом дослідників експерименти при малій силі тяжкості можна аппроксимувати з експериментів з використанням центрифуги - що набагато дешевше і простіше в реалізації, ніж організація параболічних польотів, в яких час експерименту обмежено 20 секундами. Для встановлення закономірності вчені провели серію експериментів у широкому діапазоні прискорень - від 0,1g до 8g, чого раніше ніхто ще не робив.

Виявилося, що в області високої сили тяжкості напруга в осередку падає з логарифмічною залежністю, при цьому дані експериментів при зниженій силі тяжкості продовжують цей тренд, що дозволяє зробити узагальнення і в майбутньому перевіряти газово-рідинні процеси, пов'язані з гравітацією, в контрольованих центрифугах. Після встановлення електрохімічних параметрів макросистеми залежно від сили тяжкості вчені вирішили поглянути більш детально на процес утворення бульбашок кисню на поверхні катода. Для цього вчені встановили в рухомий осередок центрифуги відеокамеру і фіксували процеси зародження, росту, зростання і відривання від поверхні бульбашок кисню. Виявилося, що при зниженій силі тяжкості на катоді утворюється шар піни з дрібних бульбашок, які повільно рухалися в бік від напрямку прискорення.

Оскільки бульбашки рухалися швидше, ніж роздільна здатність камери, то кількісно оцінити їх розміри виявилося неможливим. Для оцінки покриття електрода піною бульбашок вчені порівнювали нормований колір пікселя з фотографії електрода з попереднім переведенням зображення в чорно-білу гаму. Кількість піни, як виявилося, так само логарифмічно залежить від сили тяжкості. Більш того, у разі зниженої сили тяжкості крайовий кут змочування бульбашки виявився меншим на 18 градусів, ніж в умовах Земної гравітації. Це означає, що бульбашки, які на Землі вже відірвалися б від поверхні електрода, стабільно знаходяться на його поверхні - а значить, зменшують ефективність електролізу.

Пояснюючи причину нелінійної залежності ефективності електролізу від сили тяжкості, вчені розглянули процес зростання і відриву бульбашок з позиції сил - в даному процесі основні сили представлені архімедовою силою, яка виштовхує більш легкий бульбашку газу в протилежний напрямку гравітації бік, і сили поверхневого натягнення, яка не дозволяє бульбашку відриватися від поверхні електрода. Крайовий кут змочування і діаметр контакту меншою мірою залежать від сили тяжкості, ніж сила Архімеда - а тому в умовах зниженої сили тяжкості більш важливу роль відіграє поверхневе натягнення, через що більша кількість бульбашок залишається на поверхні електрода.

При оцінці ефективності електролізу вчені сформували наступні вказівки технічних умов електролізу - якщо проводити його при тих же параметрах, що і на Землі, то вихід по кисню знизиться на 11 відсотків, проте вирішити цю проблему можна всього лише збільшивши потужність струму на 1,1 відсотка в гальваностатичній реалізації електролізу (коли постійною залишається сила струму, а не потенціал на відміну від потенціостатичної реалізації). Однак варто врахувати, що ці числа отримані для маленьких комірок і їх масштабування на великі електролізери може призвести до куди більших втрат енергії, що необхідно враховувати при плануванні колонізаційних місій для ефективного забезпечення людей киснем.

Таким чином, електрохіміки показали, що експерименти в умовах підвищеної сили тяжкості, яку нескладно контролювати і використовувати в Земних умовах, можна поширити на малу силу тяжкості, що спостерігається на космічних тілах меншого розміру і маси, ніж Земля. Це допоможе краще передбачати технологічні процеси і підлаштовувати їх під реалії нових умов. У 2017 році біологи з Америки вже встановили, що мікрогравітація позитивно впливає на бактерії, а експерименти в 2017 році з вирощування картоплі в умовах марсіанського ґрунту і зниженої сили тяжкості принесли свої плоди.