Za nešto više od desetljeća NASA planira prvi put poslati astronaute na Mars. Ova će se misija temeljiti na desetljećima robotskog istraživanja, prikupljati uzorke s površine i vraćati ih na Zemlju na analizu. S obzirom na ogromnu udaljenost, sve operacije na površini Marsa morat će biti što je moguće samodostatnije, što znači nabaviti sve što mogu lokalno.
To uključuje korištenje lokalne vode za stvaranje plina kisika, pitke vode i raketnog goriva, što predstavlja izazov s obzirom na to da je svaka tekuća voda vjerojatno slana. Srećom, tim istraživača iz Tehnička škola McKelvey na Sveučilištu Washington u St. Louisu (WUSTL) stvorio je a novi tip elektroliznog sustava koji može pretvoriti slanu vodu u upotrebljive proizvode, a istovremeno je kompaktan i lagan.
Tim su vodili Vijay Ramani, Roma B. i Raymond H. Wittcoff, ugledni sveučilišni profesori s WUSTL-a Zavod za energetiku, okoliš i kemijsko inženjerstvo (EECE). Pridružili su mu se Pralay Gayen i Shrihari Sankarasubramanian, dva istraživača s Centar za solarnu energiju i skladištenje energije (VIDI) na WUSTL-u.
Krater Jezero na Marsu, mjesto slijetanja NASA-inog rovera Mars 2020. Zasluge za sliku: NASA/JPL-Caltech/ASU
Ovaj novi instrument u skladu je s NASA-inom predanošću Korištenje resursa na licu mjesta (ISRU) tehnologije, koje će omogućiti da buduće misije budu manje ovisne o misijama opskrbe. Također je u skladu s predanošću NASA-e i drugih svemirskih agencija smanjenju troškova lansiranja korisnog tereta u svemir budući da je učinkovitiji i kompaktniji od sadašnjih sustava elektrolize.
Tradicionalni elektrolizatori oslanjaju se na električnu energiju i gorive ćelije napravljene od elektrolita kako bi razbili kemijske spojeve i rekombinirali ih kako bi stvorili nove. The Perseverance rover (koji će na Mars stići do 18. veljače 2021.) provodi eksperiment poznat kao Eksperiment ISRU s Marsovim kisikom (MOXIE), koji će se oslanjati na ćeliju elektrolizera čvrstog oksida (SOEC) za prikupljanje plina kisika iz atmosferskog ugljičnog dioksida (CO2).
Vodeni elektrolizatori koriste sličan proces za kemijsko odvajanje vode i proizvodnju plina kisika (O2) i plinovitog vodika (H2), od kojih se potonji može koristiti za stvaranje tekućeg vodika ili hidrazinskog goriva (N2H4). Nažalost, ovi instrumenti ne mogu raditi sa slanom otopinom i ograničeni su na pročišćenu, deioniziranu vodu. Jedina druga mogućnost je prethodno uklanjanje soli, za što je potrebno dodati desalinator.
Oslanjajući se na novi pristup, tim WUSTL-a uspio je stvoriti prvi elektrolizator koji može raditi s otopinama slane vode, koje su uobičajene na Marsu. Kako je Ramani rekao u intervjuu za WUSTL publikaciju, izvor :
“Naš novi elektrolizator slane otopine uključuje olovnu rutenat piroklor anodu koju je razvio naš tim u kombinaciji s platinom na ugljičnoj katodi. Ove pomno dizajnirane komponente u kombinaciji s optimalnom upotrebom tradicionalnih principa elektrokemijskog inženjerstva donijele su ovu visoku učinkovitost.”
Tehničari u čistoj sobi instaliraju MOXIE instrument u Perseverance rover. Zasluge: NASA/JPL-Caltech
Marsovske slanice su posljednjih godina potvrđene u misijama poput Pheonix Mars Lander , koji je uzeo uzorke marsovskog tla godine 2008 i identificirao visoke razine soli nakon otapanja leda koji je sadržavao. Slično, ESA-e Mars Express sonda je otkrila nekoliko podzemnih izvora vode koji ostaju u tekućem stanju zbog prisutnosti magnezijevog perklorata.
Iz tih razloga, sustav koji može raditi sa slanom vodom (a da se ne oslanja na dodatni instrument za desalinizaciju) mogao bi značajno poboljšati operacije ISRU-a na Marsu i drugim odredištima. Kao Sankarasubramanian objasnio , njihov sustav nije samo prikladan za rad s marsovskom vodom, već s njom zapravo radi bolje:
“Paradoksalno, otopljeni perklorat u vodi, takozvane nečistoće, zapravo pomažu u okruženju poput onog na Marsu. Oni sprječavaju smrzavanje vode, a također poboljšavaju performanse elektrolizerskog sustava smanjenjem električnog otpora.”
Na temelju prethodnih testova tehničara na Massachusetts Institute of Technology (MIT), MOXIE elektrolizer je pokazao da može proizvesti do 10 g/sat plina kisika (0,35 unci) koristeći 300 W snage. Za usporedbu, instrument koji su razvili Ramani i njegovi kolege mogao je proizvesti do 250 g/sat (8,8 unci, ili 1/2 funte) plina kisika koristeći istu količinu energije (da ne spominjemo plin vodik).
Umjetnikov dojam vode ispod površine Marsa. Zasluga: ESA
Osim toga, sustav je funkcionirao u simuliranim uvjetima na Marsu – vrlo niskom tlaku zraka i temperaturama do -36 °C (-33 °F) – kao i uvjetima sličnim Zemlji. 'Naš elektrolizator za slanu otopinu na Marsu radikalno mijenja logistički proračun misija na Mars i dalje', dodao je Ramani. “Ova je tehnologija jednako korisna na Zemlji gdje otvara oceane kao održiv izvor kisika i goriva.”
Pralay Gayen, postdoktorski znanstveni suradnik u Ramanijevoj grupi, dodao je:
“Pošto smo demonstrirali ove elektrolizere u zahtjevnim marsovskim uvjetima, namjeravamo ih također postaviti u mnogo blažim uvjetima na Zemlji kako bismo koristili bočatu ili slanu vodu za proizvodnju vodika i kisika, na primjer, putem elektrolize morske vode.”
Na Zemlji bi se elektrolizatori morske vode mogli koristiti na podmornicama kako bi se omogućile produžene misije u dubokom moru. To bi također moglo omogućiti značajnu ekspanziju u industriji alternativnih goriva, gdje bi elektrolizatori mogli stvoriti vodikove gorivne ćelije iz morske vode (koje se za proizvodnju električne energije oslanjaju na plin vodik i plin).
Studija koja opisuje njihove nalaze (pod nazivom ' Sakupljanje goriva i kisika iz marsovske regolitne slane vode “) nedavno se pojavio uZbornik Nacionalne akademije znanosti(PNAS).
Daljnje čitanje: Sveučilište Washington u St. Louisu , PNAS
