Поддержание пригодной для дыхания среды на борту Международной космической станции и других космических аппаратов — сложный и дорогостоящий процесс. Поскольку люди планируют будущие миссии на Луну или Марс, потребуются более совершенные технологии.

На МКС кислород вырабатывается с помощью электролитической ячейки, которая расщепляет воду на водород и кислород, но затем необходимо удалить эти газы из системы. Ведущий автор исследования, недавно получивший степень доктора философии выпускник Университета Колорадо в Боулдере, Альваро Ромеро-Кальво утверждает, что это неэффективный подход. По его словам, относительно недавно проведенный в исследовательском центре Эймса анализ говорит, что адаптация этой архитектуры для полета на Марс приведет к таким значительным потерям массы и надежности, что ее использование не имеет никакого смысла.

Как отметила доктор Катарина Бринкерт с факультета химии Уорикского университета и Центра прикладных космических технологий и микрогравитации (ZARM) в Германии, эффективное разделение фаз в условиях пониженной гравитации является препятствием для исследования космоса человеком. О нем известно со времен первых полетов в космос в 1960-х годах. Это явление представляет собой особую проблему для системы жизнеобеспечения на борту космических кораблей и Международной космической станции, поскольку кислород для экипажа производится в системах электролиза воды и требует отделения от электрода и жидкого электролита.

Разделяй и властвуй

Представьте себе стакан газированной воды. На Земле пузырьки CO2 быстро всплывают наверх, но в отсутствие гравитации этим пузырькам некуда деваться. Вместо этого они остаются взвешенными в жидкости.

НАСА в настоящее время использует центрифуги для вытеснения газов, но эти машины большие и требуют значительных энергозатрат и сложного обслуживания. Между тем, эксперименты показывают, что в некоторых случаях магниты могут достигать тех же результатов. Хотя диамагнитные силы хорошо известны и понятны, их использование инженерами в космических приложениях не было полностью изучено, потому что гравитация затрудняет демонстрацию технологии на Земле.

И тут на сцену выходит Центр прикладных космических технологий и микрогравитации (ZARM) в Германии. Там команда Катарины Бринкерт провела серию успешных экспериментальных испытаний на специальной установке с падающей башней, которая имитирует условия микрогравитации. Это исследование впервые демонстрирует, что пузырьки газа можно "притягивать" и "отталкивать" от простого неодимового магнита в условиях микрогравитации, погружая его в различные типы водного раствора.

Результаты научной работы могут открыть новые возможности для ученых и инженеров, разрабатывающих кислородные системы, а также для других космических исследований, связанных с фазовыми переходами жидкости в газ.

По словам Бринкерт, эти эффекты имеют огромные последствия для дальнейшего развития систем фазового разделения, например, для долгосрочных космических полетов. Это говорит о том, что эффективное производство кислорода и, например, водорода в водных (фото)электролизных системах может быть достигнуто даже при почти полном отсутствии выталкивающей силы.

Профессор Ханспетер Шауб из Университета Колорадо в Боулдере подчеркивает, что после многих лет аналитических и вычислительных исследований, благодаря возможности использования падающей башни в Германии, ученые получили конкретные доказательства того, что эта концепция будет работать в условиях невесомости.