Комірка для фотоелектролізу пройшла тест на готовність до космосу. Її скинули зі 120 метрів

Хіміки розробили фотоелектрохімічний осередок для розщеплення води на водень і кисень в умовах мікрогравітації, і при цьому довели її працездатність, скидаючи її в експериментальній капсулі зі 120-метрової висоти. Виявилося, що запропонований ними елемент з нанотекстурованою поверхнею електрокаталізатора дозволяє відводити від електродів газ і не знижує ефективність навіть в умовах невагомості, пишуть вчені в.

Розщеплення води на водень і кисень за допомогою сонячного світла дозволяє отримувати пальне газове паливо. Саме за допомогою такої реакції, що проводиться у фотоелектрохімічних осередках, вчені пропонують отримувати водневе паливо на космічних кораблях, використовуючи для цього енергію сонячного світла. Однак досі було незрозуміло, чи будуть ці системи нормально працювати в умовах невагомості, адже утворюючий газ повинен відводитися від електродів, щоб не перешкоджати подальшому надходженню катіонів водню. Якщо на Землі - за наявності сили тяжкості (а відповідно, і сили Архімеда) - цей процес відбувається сам, то в умовах мікрогравітації ефективність фотоелектрохімічних осередків для розщеплення води може бути значно нижчою.

Хіміки з США, Нідерландів і Німеччини під керівництвом Ханса-Йоахіма Леверенца (Hans-Joachim Lewerenz) запропонували таку схему осередку для розщеплення води під дією світла, яка повинна працювати і в умовах мікрогравітації. Основу осередку склав електрокаталізатор на основі родію, нанесений через маску з полістирольних наносфер на поверхню світлопоглинаючого катода з фосфіду індія. Завдяки використанню маски біля цієї поверхні з'являється нанотекстура, яка змушує утворювані бульбашки відриватися від електрода, і вони не перешкоджають подальшому протіканню реакції. Також для прискорення відведення бульбашок газу від електродів вчені додавали в розчин електроліту на основі хлорної кислоти один відсоток ізопропанолу.

Для перевірки працездатності розробленої комірки в умовах мікрогравітації вчені провели експеримент у капсулі (в ній знаходилися і сама комірка, і джерело світла), яку скидали вниз зі 120-метрової висоти у вакуумізованій вежі. Під час падіння в комірці відтворювалися умови мікрогравітації (з мінімальним рівнем 10^-6 g), загальна тривалість вільного падіння склала 9,3 секунди. Для порівняння такий же експеримент проводився з аналогічним осередком, але з плоским шаром електрокаталізатора. Також обидва ці осередки були протестовані в умовах нормального земного тяжіння.

Виявилося, що запропонована конфігурація дійсно дозволяє ефективно розщеплювати воду в умовах невагомості. При цьому працездатність елемента зберігається і при досить великих щільностях струму - аж до 16 міліампер на квадратний сантиметр. Показники аналогічної комірки з плоским електрокаталізатором виявилися дещо гіршими, але якщо в умовах земної гравітації щільність струму була лише на кілька відсотків нижчою, ніж для нанотекстурованої поверхні, то в умовах мікрогравітації вона впала більш ніж утричі.

Щоб підтвердити механізм підвищення ефективності електрохімічного елемента за рахунок прискореного відриву бульбашок і більшої швидкості транспорту іонів, цю систему промоделювали чисельно з використанням кінетичної транспортної моделі, яка підтвердила отримані результати. За словами авторів роботи, отримані ними результати доводять можливість використання подібних осередків в космосі, а розроблені методи в майбутньому дозволять оптимізувати геометрію і точний склад фотоелектрохімічного елемента для подібних цілей.

Як правило, для визначення можливого впливу мікрогравітації необхідно більш довгий час, ніж ті кілька секунд, протягом яких капсула знаходиться в польоті. Тому для проведення більш тривалих експериментів використовуються інші установки. Невеликі тестові експерименти можна проводити в спеціальних обертових камерах. Для проведення повноцінних експериментів в умовах мікрогравітації установки відправляються на орбіту. Наприклад, на борту МКС вивчали розчинність таблеток у воді, а для дослідження впливу антибіотиків на кишкову паличку на орбіту Землі навіть запустили окремий мікросупутник EcAMSat.