Ученые разработали метод получения кислорода и водорода из жидкого солевого раствора в условиях марсианских озер с помощью электролиза. Особенностью эксперимента стало использование оксида свинца-рутения в качестве электрокатализатора выработки кислорода. Выработка кислорода с помощью такой установки оказалась в 25 раз энергоэффективнее, чем в случае MOXIE, запущенной к Красной планете в рамках миссии «Марс-2020», а размер и вес устройства для жизнеобеспечения на основе описанной технологии будет меньше, чем у аналогов. Статья опубликована в журнале PNAS.
Условия на Марсе далеки от благоприятных для человека: атмосфера разряжена и на 95 процентов состоит из углекислого газа, а перепады температур превышают 100 градусов Цельсия при средней температуре минус 63 градуса. Поэтому колонизация Красной планеты невозможна без создания системы жизнеобеспечения, которая бы в таких суровых условиях смогла бы обеспечить людей кислородом для дыхания и топливом (к примеру, водородом) для энергообеспечения и, в идеале, обратного полета. 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.
Схема установки. В красной области вырабатывается кислород, в синей — водород.
Источник изображения: Pralay Gayen et al. / PNAS
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.
Источник изображения: 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.
Источник изображения: Pralay Gayen et al. / PNAS
Ранее мы рассказывали о еще одном методе получения кислорода из углекислого газа в марсианской атмосфере (как MOXIE): ученые предложили делать это с помощью низкотемпературной плазмы. А о том, какова роль марсохода «Персеверанс» помимо проверки метода выработки кислорода, можно почитать в нашем материале «Марс, туда и обратно».
Никита Козырев
