Как превратить СО2 в кислород на Марсе? Кислород - громоздкая полезная нагрузка в любом космическом полете. Он занимает много места, и очень маловероятно, что астронавты смогут доставить его на Марс в достаточном количестве, чтобы люди могли там дышать, не говоря уже о том, чтобы заправить космические корабли для долгого путешествия домой.

СО2, углекислый газ, кислород,  Марс, марсоход, Perseverance, NASA
Perseverance оснащенный набором высокотехнологичных инструментов, 23 камерами, двумя микрофонами, лазером для испарения породы и специальной роторной ударной дрелью для сбора образцов. На иллюстрации художника изображены марсоход NASA Perseverance и вертолет Ingenuity на Марсе. NASA / JPL-Caltech.

Многие инструменты для Perseverance разработаны как экспериментальные шаги к исследованию Красной планеты человеком. На его борту находится множество передовых технологий, включая видеооборудование высокой четкости и первый межпланетный вертолет.

СО2, углекислый газ, кислород,  Марс, марсоход, Perseverance, NASA
Космический корабль, запущеный к Марсу 30 июля с мыса Канаверал, штат Флорида ракетой United Launch Alliance Atlas V после 204-дневного путешествия, приземлится в кратере Джезеро на Марсе 18 февраля 2021 года, куда доставит марсоход NASA Perseverance.

 

 

Уже скоро высокотехнологичное устройство марсохода будет вытягивать кислород из тонкой, богатой углекислым газом атмосферы Марса. MOXIE - сокращение от Mars OXygen In-situ Resource Utilization Experiment - будет генерировать небольшое количество кислорода из диоксида углерода в процессе электролиза.

СО2, углекислый газ, кислород,  Марс, марсоход, Perseverance, NASA
Perseverance (Настойчивость) - это улучшенная версия Curiosity – быстрее и умнее, он способен автономно перемещаться на 200 метров (650 футов) в день. Он размером с небольшой внедорожник и весит метрическую тонну. Perseverance оснащен набором высокотехнологичных инструментов, 23 камерами, двумя микрофонами, лазером для испарения породы и специальной роторной ударной дрелью для сбора образцов. Он имеет двухметровую роботизированную руку и питается от небольшой ядерной батареи.

 

Цианобактерии и кислород на Земле

Нас ожидает неприятный сюрприз, если мы совершим путешествие на машине времени в далекое прошлое Земли, скажем, 2,4 миллиарда лет назад. Как рыба, выброшенная из воды, мы задыхнемся. Увы, но, атмосфера ранней Земли была лишена кислорода. Только с развитием фотосинтезирующих организмов, таких как цианобактерии, содержание кислорода на Земле увеличилось.

 

Используя солнечный свет, эти крошечные организмы превращали воду и углекислый газ в сахара и в процессе выделяли кислород в качестве побочного продукта. До этого жизненные формы на Земле полагались на тепловую энергию из океанских жерл.

Первые искры фотосинтеза распространились подобно лесному пожару, и вся Земля была покрыта предками растений и деревьев, поглощающими углекислый газ. Последовала революция, получившая название Великого окислительного события (GOE). Таким образом, накопился молекулярный кислород, достигнув нынешнего уровня в 21 процент.

 

 

Искусственное дерево для Марса

Без деревьев, растений и растительности атмосфера Марса, состоящая на 95,32% из углекислого газа, сравнима с ранней Землей. При незначительном количестве кислорода и в 100 раз более тонкой атмосфере Марс, по крайней мере, суров и непривлекателен.

 

Этот эксперимент, запланированный как демонстрационный технологический проект, призван проверить новую технологию производства пригодного для дыхания кислорода и жидкого кислородного топлива для космических миссий на поверхности Марса. Возможно, однажды в далеком будущем та же самая технология сможет сделать всю планету пригодной для жизни, обогатив атмосферу кислородом.

Механизм, по которому работает MOXIE, сродни гидролизу воды, с которым мы знакомы по химии в средней школе. Электролизная ячейка использует электричество для разделения молекул воды (H2O) на водород (H2) и кислород (O2), которые собираются на отрицательно заряженном электроде (катоде) и положительно заряженном электроде (аноде) соответственно.

СО2, углекислый газ, кислород,  Марс, марсоход, Perseverance, NASA
Ячейка для электролиза твердых оксидов. Точно так же, как крошечные синие зеленые цианобактерии, твердооксидная электролизная ячейка (SOEC) на борту марсохода Perseverance будет поглощать углекислый газ и выделять небольшое количество кислорода.

 

 

Основная структура MOXIE состоит из керамического твердотельного электролита, помещенного между катодом из оксида металла и анодом.

Когда углекислый газ пропускают через электрод из оксида металла при высоких температурах (800–900 °C), используя электроны, обеспечиваемые катодом, он расщепляется на монооксид углерода и анион кислорода. Ион кислорода проникает в поры керамического электролита и мигрирует к аноду под действием электрического поля. Атомы кислорода объединяются на аноде в молекулы кислорода и в процессе высвобождают электроны. Во время электролиза окись углерода накапливается на катоде, а молекулы кислорода - на аноде.

 

Процесс непростой. Выталкивание для разрушения диоксида углерода должно быть откалибровано, чтобы убедиться, что диоксид углерода расщепляется на оксид углерода и кислород, а не на углерод и кислород. Накопление углерода является помехой и может разрушить систему.

 

 

Технология получения кислорода

Вся система состоит из трех основных компонентов. Компрессор собирает и концентрирует марсианский воздух примерно до плотности воздуха у поверхности Земли. Электролизная ячейка электрохимически расщепляет диоксид углерода на кислород и монооксид углерода.

Наконец, датчики, особенно в выхлопном приборе, контролируют чистоту кислорода, выводимого обратно в атмосферу Марса вместе с оксидом углерода и другими продуктами выхлопа.

Электричество необходимо как для нагрева катода, так и для подачи напряжения для электролиза. Многоцелевой радиоизотопный термоэлектрический генератор (MMRTG), ядерная батарея, обеспечивает необходимую мощность.

Сердцем MMRTG является радиоактивный плутоний-238. Когда плутоний-238 естественным образом распадается, он выделяет тепло. Набор термопар обеспечивает преобразования тепла, выделяемого при распаде, в электричество.

Используя мощность 300 Вт и работая при 800 градусах Цельсия, MOXIE будет производить около 10 граммов кислорода в час. Для сравнения, среднему взрослому человеку для дыхания требуется около 20 г кислорода в час. Оборудование будет работать около двух часов, из которых один час эффективного производства кислорода на эксперимент. Эксперимент будет проводиться с перерывами на протяжении всей миссии.

 

СО2, углекислый газ, кислород,  Марс, марсоход, Perseverance, NASA
Размещение компонентов внутри кислородного генератора MOXIE. Робот размером с автомобильный аккумулятор - это модель устройства в масштабе примерно 1:100, которое ученые надеются однажды отправить на Марс, возможно, в 2030-х годах.  (NASA / Wikimedia Commons).

 

Марс готовится к прилету людей

Поскольку MOXIE - это небольшой эксперимент, подтверждающий концепцию, он не будет производить много кислорода - если все пойдет хорошо, он должен производить около 10 граммов в час, что примерно равно количеству кислорода в 1,2 кубических футах земного воздуха. Для контекста, людям нужно около 19 кубических футов воздуха в день.

По данным NASA, MOXIE проверит свои возможности, производя кислород с интервалом в один час с перерывами на протяжении всей миссии Perseverance.

СО2, углекислый газ, кислород,  Марс, марсоход, Perseverance, NASA
MOXIE - это размер автомобильного аккумулятора. Будущие генераторы кислорода, поддерживающие полеты людей на Марс, должны быть примерно в 100 раз больше. Используя несколько электролизеров в одной системе, выход кислорода можно увеличить до желаемого уровня.

 

Помимо производства в более крупных масштабах, для жизнедеятельности людей, путешествующих по миру, кислород также необходим для ракетного топлива для обратного полета на Землю. Для запуска с Марса возвратным ракетам потребуется от 33 до 50 тонн топлива. Сам кислород будет составлять 78% массы топлива в метано-кислородной топливной смеси. Вместо того чтобы таскать с собой этот лишний багаж в дальнейшем путешествии, на Марсе можно было бы приготовить жидкий кислород в качестве топлива.

 

 

Писатели-фантасты предполагают, что в будущем в качестве первого шага на Красную планету будут отправлены небольшой ядерный реактор вместе с увеличенной версией прибора MOXIE. Работая в режиме 24,5 × 7 («день» на Марсе, называемый «сол», немного длиннее, чем продолжительность дня на Земле), кислородный баллон наполняется для подготовки посетителей-людей. Когда прибывают исследователи, источник энергии, топливо для обратного пути и инфраструктура жизнеобеспечения уже на месте.

 

Хотя человеческие путешествия еще далеко, в краткосрочной перспективе эта технология может стать благом для роботизированных миссий по возвращению, например, для возвращения образцов с Марса. MOXIE также является небольшим шагом к плану «Использование ресурсов на месте» (ISRU).

С помощью новых технологий, таких как 3D-печать и аддитивное производство, использование ресурсов на месте можно расширить, получая не только кислород, но и другие материалы. Вместо того, чтобы привозить материалы с Земли, можно удовлетворить значительную часть потребностей за счет ресурсов на месте.

Но для того, чтобы все это произошло, пройдет еще много времени и предстоит большой труд ученых.

 

Источник/ Источник

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!