Отвъд Земята: Как нова технология за производство на кислород ще отключи бъдещето на дълбокия космос

Представете си бъдеща база на Марс или на Луната. Високотехнологични роувъри, 3D принтирани куполи, усъвършенствани научни инструменти. Сега си представете, че най-крехката и потенциално уязвима система в цялото това великолепие е тази, която дава възможност на хората просто да дишат. От началото на космическата ера, от 60-те години на миналия век, надеждното производство на кислород извън пределите на Земята остава една от най-трудните инженерни загадки.

На Международната космическа станция (МКС) този проблем се решава от обемисти и лакоми системи. Те работят, но не са никак елегантни. За дългосрочни мисии, при които всеки килограм товар и всеки ват енергия са от значение, подобно оборудване е неприемлив лукс. Но какво би било, ако се окаже, че решението може да е направо смешно просто, скрито в една сила, която познаваме от детството си?

Международен екип от учени от Обединеното кралство, Германия и САЩ представи концепция, която може коренно да промени правилата на играта. Тяхното оръжие е обикновеният магнит.

Проблемът с лепкавите мехурчета

За да разберем мащаба на пробива, първо трябва да стигнем до същността на проблема. Най-очевидният начин за получаване на кислород в космоса е да се вземе вода (H₂O) и да се раздели на водород (H₂) и кислород (O₂) с помощта на електричество. Този процес се нарича електролиза. На Земята това е елементарно: потапяте два електрода във вода, подавате ток и мехурчетата кислород весело изплуват на повърхността на единия електрод, а мехурчетата водород изплуват на повърхността на другия. Ключовата дума тук е „изплуват“.

В космоса, в условията на микрогравитация, няма горна и долна част. Силата на Архимед, която кара мехурчетата да се носят, практически изчезва. В резултат на това газовите мехурчета, които се образуват на повърхността на електродите, не отиват никъде. Те просто залепват за тях, образувайки пенест слой, който изолира електрода от водата. Процесът се забавя и накрая спира. Това е все едно да се опитваме да правим газирана напитка при нулева гравитация – мехурчетата просто „запушват“ системата.

Инженерите на МКС са решили този проблем „директно“: те използват масивни центрофуги, които въртят водата, създавайки изкуствена гравитация и изхвърляйки мехурчетата далеч от електродите. Това работи, но изисква движещи се части (които могат да се счупят), сложна поддръжка и, най-важното, огромни количества ценна енергия.

Изящното решение: да накараме физиката да работи сама за себе си

Изследователи от Университета на Уоруик, Центъра ZARM и Технологичния институт на Джорджия са си задали въпроса: възможно ли е да се справим без грубата механика? Възможно ли е да се открие сила, която да върши същата работа, но без движещи се части и ненужно влагане на енергия? Отговорът бе открит в магнетизма.

Екипът е разработил не един, а два начина за контрол на непокорните мехурчета с помощта на магнитни полета.

1. Магнитната плаваемост

Това звучи малко като магия. Всъщност то е чисто проявление на диамагнетизма. Повечето от нас познават материали, които се привличат от магнитите (феромагнити, като желязото). Но съществуват и диамагнетици – вещества, които се отблъскват от магнитно поле. Водата е едно от тях.

В земни условия тази сила е толкова слаба, че не я забелязваме. Но в безтегловност, където другите сили са сведени до минимум, тя излиза на преден план. Чрез поставяне на постоянни магнити до електролитната клетка изследователите създават поле, което леко отблъсква водата. И тъй като газовите мехурчета (кислород и водород) практически не реагират на магнитното поле, самата вода ги изтласква от електродите към специални места за събиране. Това е подобно на ефекта на изтласкването, само че вместо гравитация се използва магнит. Напълно пасивна система, която не се нуждае от нито един ват енергия.

2. Течен вихър без двигател

Вторият метод е още по-интересен. Той се основава на магнитохидродинамиката – взаимодействието на електропроводима течност и магнитно поле. Да припомним, че за електролизата пропускаме електрически ток през водата? Е, когато този поток от заредени частици (йони) се движи в магнитно поле, върху него започва да действа силата на Лоренц.

Тази сила усуква течността около електродите, създавайки устойчив микровихър. Този конвективен поток действа точно като центрофуга: той събира леките газови мехурчета и ги изхвърля далеч от повърхността на електродите в центъра на вихъра, където те могат лесно да бъдат събрани. Резултатът е своеобразна „центрофуга без движещи се части“, управлявана от основните закони на физиката.

От теория до кулата със свободно падане

Разбира се, само изчисленията не са достатъчни. За да докаже правотата си, екипът провежда серия от експерименти в известната кула за свободно падане ZARM в Бремен. Това е уникална инсталация с височина 146 метра, в която е възможно да се създадат условия на почти перфектна микрогравитация за няколко секунди чрез пускане на експериментална капсула във вакуумна тръба.

Резултатите надминаха всички очаквания. Експериментите потвърдиха, че двата магнитни метода не само работят, но и повишават общата ефективност на производството на кислород с до 240% в сравнение с работата на системата в безтегловност без външно въздействие.

Този пробив е резултат от четиригодишна упорита работа. То проправя пътя за ново поколение животоподдържащи системи: леки, надеждни, енергийно ефективни и с ниски разходи за поддръжка. Това е точно каквото е необходимо за смелите мисии до Марс и отвъд него. Следващата стъпка на екипа ще бъде да тества технологията в реални условия – по време на суборбитални ракетни полети.

Така че може би следващия път, когато видим кадри от бъдещата лунна станция, ще знаем, че въздухът, който астронавтите дишат, може да не е резултат от бучене на механиката, а от тихия и елегантен танц на водата и магнитните полета.