Кейсы 7 сентября 2022

Кислород, топливо и удобрения из плазмы на Марсе: что предлагают ученые

Далее

Европейское космическое агентство (ЕКА) объявило о создании установки для сверхбыстрого производства кислорода и азотных удобрений из газов марсианской атмосферы. «Хайтек» рассказывает, как это работает и что еще можно производить на Красной планете из местных «ингредиентов».

Только на прошлой неделе исследователи из НАСА объявили об успешном завершении миссии MOXIE, предназначенной для производства кислорода на Марсе. Исследовательская установка, доставленная на Красную планету вместе с марсоходом Perseverance, в серии экспериментов продемонстрировала возможность преобразования углекислого газа из атмосферы Марса в газ, пригодный для дыхания.

Сегодня ЕКА заявило, что им удалось превзойти этот результат. Новое устройство потребляет столько же энергии, а производит за то же время в 8 раз больше кислорода. Кроме того, оно впервые создает оксиды азота, необходимые для удобрения растений.

Доставка грузов даже на низкую околоземную орбиту — дорогое удовольствие. Неудивительно, что для обеспечения космических миссий ученые по всему миру работают над созданием технологий, которые будут производить все необходимое для космических миссий из местных ресурсов.

Что произошло?

Сразу две независимых команды — из университета Антверпена и из группы под руководством Лиссабонского университета — представили свои решения для обеспечения будущих миссий на Марсе необходимыми ресурсами. Обе технологии используют плазму для производства из углекислого газа и других местных ресурсов кислорода, топлива и удобрения.

Кислород и оксиды азота — два самых важных вещества для выживания на Марсе: кислород нужен для дыхания и заправки ракет на обратный путь, а оксиды азота — для удобрения сельскохозяйственных культур. К сожалению, в марсианской атмосфере их очень мало. 

Новые эксперименты показали способ производства кислорода со скоростью 47 г в час или 1,1 кг в день. Это примерно в 8 раз больше, чем производит установка MOXIE. При этом энергопотребление в обоих методах идентичное: 1 кВтч. Для сравнения средний человек потребляет в день 1 кг кислорода.

Исследования были отобраны в рамках программы Open Space Innovation Platform, финансируемой ЕКА, а результаты работ опубликованы в рецензируемых научных журналах: Journal of Applied Physics (Лиссабонский университет) и Chem (университет Антверпена).

Плазменная установка для производства кислорода в университете Антверпена. Изображение: Sean Kelly

Как это работает?

Исследователи из обеих команд воссоздали марсианскую атмосферу в самодельном плазменном реакторе. Напомним, средний состав «воздуха» на Красной планете такой: 96% углекислого газа и по 2% молекулярного азота и аргона. Дальше ученые предложили разные методы, чтобы возбудить газ до состояния плазмы: исследователи из университета Антверпена облучали его с помощью микроволнового излучения, а вторая группа использовала радиоволны и воздействия с помощью постоянного тока.

Авторы работ объясняют, что, по сути, весь процесс сводится к созданию внутри плазменного реактора небольших молний, которые сначала расщепляют молекулы газов на составляющие, а затем эти частицы сталкиваются друг с другом и образуют новые продукты. С помощью специальных мембран можно улавливать отдельные ионы и молекулы нужных веществ.

Схема эксперимента Лиссабонского университета. Изображение: University of Lisbon

Обе команды успешно продемонстрировали выделение кислорода и угарного газа или монооксида углерода (CO), а ученые из Антверпена также смогли добиться превращения молекулярного азота в оксиды.

Исследователи отмечают, что это первый способ «фиксации» молекулярного азота в соединения, содержащие кислород. Фиксация – это любой процесс, в результате которого N2 химически соединяется с другими элементами с образованием более реакционноспособных соединений азота.

Оксиды азота потребуются для создания на Марсе удобрений и выращивания растений. Например, путем объединения оксидов азота с мочой астронавтов можно создавать нитрат мочевины. Это же вещество можно использовать в качестве взрывчатки при проведении раскопок и сейсмологических исследований.

Кроме того, плазменный метод может стать альтернативой для производства таких материалов и на Земле. Современные методы фиксации азота для производства удобрений очень энергоемки, на них приходится около 2% мирового потребления энергии, а в процессе ежегодно выделяется более 300 млн т углекислого газа. Замена этих методов плазменной технологией может значительно снизить воздействие на окружающую среду.

Изображение плазменной установки из эксперимента университета Антверпена. Изображение: Seán Kelly et al., Chem

Какие еще ресурсы предлагают использовать для производства на Марсе?

Самый известный эксперимент — это MOXIE. Это единственная установка, которая была протестирована не только в воссозданных лабораторных исследованиях, но и в реальном эксперименте на Марсе. 

Устройство, разработанное в Массачусетском технологическом институте при поддержке НАСА, использует электролиз для расщепления углекислого газа на кислород и моноксид углерода. Во всех экспериментах, проведенных в разное время на Красной планете, MOXIE производил около 6 г кислорода в час. 

Исследователи считают, что, если масштабировать устройство, оно будет способно производить в тысячу раз больший объем кислорода с соответствующим ростом энергопотребления.

Побочный продукт этого производства — угарный газ — исследователи из Технологического университета Суинберн предлагают использовать для производства железа. Химики показали, что в результате электролиза MOXIE, формируется горячий газ, который на 91% состоит из монооксида углерода (CO).

Этот газ можно использовать для разогрева марсианского реголита (почвы). Исследование показало, что при добавлении к нему 10% углерода при температуре 1 120 °C и давлении 7 мбар (давление атмосферы на Марсе) материал начинает выделять железо.

Еще реголит можно использовать для строительства средств защиты от радиации и корпусов для будущих ракет. В недавнем исследовании ученые из Вашингтонского государственного университета показали, что добавление 5% реголита в сплав из керамики и титана делает его прочнее и легче, чем чистый металл. А конструкции, напечатанные из чистого реголита на 3D-принтере, хоть и отличаются хрупкостью, хорошо подходят для защиты от космического излучения.


Для любой долгосрочной миссии человека на Марсе потребуется воздух для дыхания астронавтов, топливо на обратный путь и удобрения для выращивания пищи. Доставка всех необходимых компонентов с Земли, по оценке ЕКА, будет стоит около €100 тыс. за один кг. 

Развитие множества альтернативных концепций производства полезных материалов и жизненно необходимых веществ из местных ресурсов говорит о том, что у будущих миссий есть шанс.


Читать далее:

Древние викинги страдали от опасной болезни. Ее вызывает паразит из Африки

Установка на Марсе производит кислород со скоростью среднего дерева

Физики охладили атомы до рекордной температуры. Они в миллиарды раз холоднее космоса

На обложке: плазменная установка для производства кислорода. Изображение: Olivier Guaitella, University of Lisbon