На Марсе учатся вырабатывать кислород из углекислого газа

В перспективе человеческого рода — продолжать познавать мир и развиваться уже вне своей "космической колыбели" — планеты Земля. Одним из первых "опорных пунктов" нашей цивилизации среди звёзд с большой вероятностью станет далёкий пустынный Марс… Вот только на пути к Красной планете людей неизбежно поджидает одна небольшая проблема — под названием "кислород".

И дело не только в необходимости обеспечивать будущих марсианских колонистов ресурсом для дыхания (хотя и в этом тоже). Вопрос заключается ещё и в том, что огромные количества кислорода (в жидком состоянии) потребуются в качестве окислителя ракетного топлива, чтобы астронавты могли не только на Марсе подышать спокойно, но ещё и с планеты так же спокойно улететь. Причём для того, чтобы поднять космический корабль с поверхности Красной планеты, кислорода будет нужно в разы больше, чем для дыхания колонистов.

Согласно предварительным расчётам NASA, для взлёта с Марса четырёх астронавтов на семь тонн ракетного топлива потребуется 25 тонн кислорода для его сжигания, а вот для обеспечения дыхания колонистов в течение года работы на поверхности планеты им всем вместе будет нужна всего лишь одна тонна кислорода.

Доставить 26 тонн кислорода с Земли на Марс — задача непростая и затратная. Но что, если… Начать добывать кислород прямо на Марсе, так сказать, из подручных материалов?

А какие имеются подручные материалы? В основе своей марсианская атмосфера состоит из 96% углекислого газа (CO₂), и примерно по 2% в ней занимают азот (N₂) и аргон (Ar), не считая мизерных количеств угарного газа, кислорода и прочих соединений.

Генератор кислорода MOXIE

Этим и воспользовались создатели генератора кислорода MOXIE, отправленного на Красную планету вместе с новым марсоходом NASA "Perseverance". К огромному успеху учёных, находящийся в избытке на Марсе углекислый газ оказался превосходным расходным материалом, из которого можно получить кислород. На основе переработки углекислого газа в кислород и основана работа нового прибора, название которого расшифровывается как "Mars Oxygen In-situ resource utilization Experiment", то есть "Марсианский кислородный эксперимент по использованию ресурсов на месте". Есть у аббревиатуры и скрытое значение: по-английски "moxie" значит "смелость", "ловкость", "практичность", "настойчивость". Кажется, все эти качества действительно необходимы, чтобы осваивать новый неизведанный мир и, что более важно, изменять его под себя!

MOXIE успешно проработал на Красной планете в течение года, за этот период учёные запускали генератор семь раз. И вот в преддверии осени специалисты, ответственные за осуществление перспективного марсианского проекта, поделились впечатляющими результатами: в общей сложности прибор проработал 8,81 часа и за это время сгенерировал 50 граммов кислорода!

Вывод учёных обнадёживает: экспериментальная технология производства кислорода из углекислого газа жизнеспособна, эффективна и оправдывает ожидания.

Более того, её можно будет масштабировать, сделав на основе крошечной машинки MOXIE размером с тостер (23,9x23,9x30,9 см) и массой 17,1 кг уже по-настоящему огромную установку, которая вместо текущих шести-восьми граммов кислорода в час (пять граммов достаточно одному космонавту для дыхания в течение десяти минут) сможет производить два-три килограмма кислорода в час и полноценно обеспечивать кислородом астронавтов.

Механизм выработки кислорода

Каким же образом газ, создающий парниковый эффект и грозящий глобальным потеплением здесь, на Земле, удалось превратить в прямо противоположный, жизненно необходимый не только для человека, но и для большинства земных существ? Если вкратце, то с помощью электрохимического процесса под названием "твердотопливный электролиз". А если в деталях, то сейчас разберёмся поподробнее.

Сначала прибор в течение нескольких часов разогревается. Затем он поглощает воздух из марсианской атмосферы со скоростью 55 граммов в час. Поглощённая смесь газов очищается, проходя через HEPA-фильтр (учитывая, что эти фильтры активно используются для фильтрации воздуха от вирусов и бактерий, астронавты смогут не бояться не только пыли, но и возможных внеземных микроорганизмов). Затем очищенный воздух сжимается в специальном спиральном компрессоре, увеличивая давление смеси газов до земного (примерно одной атмосферы, или 101 325 Паскалей). Учитывая, что атмосфера Марса приблизительно в сто раз более разреженная, чем земная, это нелёгкая задача.

Дальнейший электрохимический процесс должен проходить при очень высоких температурах, поэтому далее очищенный и сжатый марсианский воздух пропускается через несколько теплообменников, где нагревается примерно до 800°C. Для такой жаркой (во всех смыслах) деятельности MOXIE должен быть устойчив к перегреванию — и не наносить ущерба остальным деталям марсохода, на котором он закреплён. Именно поэтому теплообменники прибора изготовлены из никелевого сплава (никель — тугоплавкий металл), в конструкции MOXIE использован лёгкий аэрогель, удерживающий тепло внутри генератора для успешного прохождения реакции, а снаружи устройство покрыто тонким слоем золота, который отражает инфракрасное (тепловое) излучение, не давая ему выходить из генератора наружу и причинять вред другим приборам марсохода.

Далее горячий воздух попадает на финальную точку своего путешествия — непосредственно устройство для электролиза, состоящее из десяти электролизных ячеек. Каждая ячейка состоит из трёх слоёв. По краям располагаются пористые металлические пластины — отрицательный и положительный электроды. Их разделяет пластина из твёрдого электролита — оксида циркония, стабилизированного небольшим количеством скандия, известного под названием ScSZ. Это соединение выгодно для производимой электрохимической реакции, так как устойчиво к высоким температурам, очень прочное и при этом мало весит.

Итак, после обработки марсианский воздух подаётся на устройство для электролиза. Через электролизные ячейки подаётся ток, в результате чего в каждой из них на катоде (отрицательном электроде, который как бы "отдаёт" электроны) молекулы углекислого газа (CO₂), получив дополнительные электроны, преобразуются в угарный газ (CO) и ионы кислорода (O^2-). Происходящая реакция при этом выглядит так:

2CO₂+4e- è 2CO+2O^2-

Затем ионы кислорода перебираются к аноду (положительному электроду, который, в противоположность катоду, электроны "забирает") и, отдавая аноду излишек электронов, связываются в молекулы чистого кислорода — O₂. Языком формул говоря, происходит следующее:

2O₂- è O₂+4e-

Таким образом, пропустив через MOXIE марсианский воздух, на 96% состоящий из углекислого газа, на выходе мы получаем желанный необходимый для полётов и выживания кислород, а в качестве побочного продукта — угарный газ. Плюс обратно в марсианскую атмосферу благополучно возвращаются непереработанные остатки углекислого газа и составляющие марсианского воздуха, не принимающие участия в электрохимической реакции. На выходе MOXIE анализирует скорость производства кислорода и его чистоту (минимальная обещанная чистота производимого кислорода составляет 98%).

Долговечность MOXIE

Об успехе и перспективах эксперимента уже поговорили… Стоит подумать о долговечности MOXIE и устройств, ему подобных. Опираясь на полученные за год данные, учёные отметили, что вначале скорость деградации материалов, из которых изготавливается ячейка для электролиза, растёт, но затем стабилизируется. В итоге, как утверждают специалисты, существующий прибор может сохранять первоначальную скорость выработки кислорода в течение как минимум 60 рабочих циклов, что, в общем-то, немало.

Что очень важно, MOXIE уже был успешно испытан в самых разных условиях марсианского климата: днём, ночью, при различных атмосферных показателях и в разные времена года.

Учитывая, что плотность марсианского воздуха может изменяться в два раза, а температура — на 100°C, это существенный факт. В планах специалистов — испытать генератор кислорода в жёстких условиях марсианской весны, когда плотность атмосферы Красной планеты и уровень в ней углекислого газа будут очень высоки.

Чтобы будущий (уже полномасштабный) генератор кислорода был ещё мощнее и стабильнее, чем его маленький экспериментальный предшественник, его планируют оснастить более совершенной системой управления и контроля параметров, заменить спиральный компрессор на лопастной (или даже целую насосную систему). Разумеется, режим работы полноценного генератора кислорода будет не как у MOXIE, прерывистый, а непрерывный. Для этого учёные планируют провести дополнительное исследование по износу генератора. Специалисты предполагают, что производимый "последователем" MOXIE кислород будет накачиваться в специальный резервуар для хранения и последующего потребления.

История, начавшаяся с крошечного прибора размером с кухонный тостер, предвещает огромные перспективы. Ведь не только будущим марсианским колонистам нужен кислород, но и экипажам космических кораблей и работникам космических станций (благо углекислый газ, обильно выдыхаемый людьми, всегда и везде найдётся)… Да и с глобальным потеплением на планете Земля тоже что-то делать надо.

И вполне возможно, что однажды (даже если не очень скоро) в нашем мире наступит эпоха, когда не только на спасённой от климатической катастрофы Земле, но и "на Марсе будут яблони цвести".