Электролиз воды в марсианских условиях выработал на шесть процентов меньше кислорода

Английские химики провели исследования процесса электролиза воды в условиях неземной гравитации — от 0,166g до 8g. При пониженной силе тяжести, которую ученые имитировали центрифугой в условиях параболического полета, замедляется отвод кислорода от электродов, что приводит к снижению эффективности процесса получения кислорода на шесть процентов при проведении электролиза на Марсе и на 11 процентов на Луне. Чтобы нейтрализовать падение эффективности, достаточно поднять мощность электролизера на 1,1 процента. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.

Получение кислорода на Марсе — одна из важнейших задач для колонизации планеты. Прямые эксперименты в этой области начались буквально только что — инженеры из NASA отправили вместе с марсоходом «Персеверанс» твердооксидный электролизер MOXIE на базе оксида циркония, стабилизированного иттрием. Принцип его работы заключается в разложении углекислого газа до угарного газа и молекулярного кислорода с помощью приложения электрического тока. В апреле 2021 года MOXIE успешно справился с конверсией углекислого газа в кислород — за час работы один такой электролизер выработал 5,4 грамма кислорода, этого достаточно для дыхания человека в течение 10 минут.

Альтернативными способами получать кислород на Марсе являются электролиз воды, в процессе которого помимо кислорода выделяется и водород (он тоже может пригодиться), и электролиз реголита в расплаве солей, с помощью которого также можно получить металлы. Однако в обоих этих способах присутствуют пузыри газа в жидкости, поведение которых в условиях другой планеты может отличаться от того, что наблюдается на Земле.

Исследовать влияние силы тяжести на процесс электролиза воды решила команда электрохимиков под руководством Марка Саймса (Mark D. Symes) из университета Глазго. Ученые провели электролиз в условиях пониженной гравитации при использовании микрогравитационных параболических полетов, а для симуляции повышенной силы тяжести они использовали центрифугу. По задумке исследователей эксперименты при малой силе тяжести можно аппроксимировать из экспериментов с использованием центрифуги — что гораздо дешевле и проще в реализации, чем организация параболических полетов, в которых время эксперимента ограничено 20 секундами. Для установления закономерности ученые провели серию экспериментов в широком диапазоне ускорений — от 0,1g до 8g, чего раньше никто еще не делал.

Оказалось, что в области высокой силы тяжести напряжение в ячейке падает с логарифмической зависимостью, при этом данные экспериментов при пониженной силе тяжести продолжают этот тренд, что позволяет сделать обобщение и в будущем проверять газово-жидкостные процессы, связанные с гравитацией, в контролируемых центрифугах. После установления электрохимических параметров макросистемы в зависимости от силы тяжести ученые решили взглянуть более подробно на процесс образования пузырей кислорода на поверхности катода. Для этого ученые установили в подвижную ячейку центрифуги видеокамеру и фиксировали процессы зарождения, роста, срастания и отрывания от поверхности пузырьков кислорода. Оказалось, что при пониженной силе тяжести на катоде образуется слой пены из мелких пузырьков, которые медленно двигались в сторону от направления ускорения.

Так как пузырьки двигались быстрее, чем разрешение камеры, то количественно оценить их размеры оказалось невозможным. Для оценки покрытия электрода пеной пузырьков ученые сравнивали нормированный цвет пикселя с фотографии электрода с предварительным переводом изображения в черно-белую гамму. Количество пены, как оказалось, так же логарифмически зависит от силы тяжести. Более того, в случае пониженной силы тяжести краевой угол смачивания пузырька оказался меньше на 18 градусов, чем в условиях Земной гравитации. Это означает, что пузыри, которые на Земле уже оторвались бы от поверхности электрода, стабильно находятся на его поверхности — а значит, уменьшают эффективность электролиза.

Объясняя причину нелинейной зависимости эффективности электролиза от силы тяжести, ученые рассмотрели процесс роста и отрыва пузырьков с позиции сил — в данном процессе основные силы представлены архимедовой силой, которая выталкивает более легкий пузырек газа в противоположную направлению гравитации сторону, и силы поверхностного натяжения, которая не позволяет пузырьку отрываться от поверхности электрода. Краевой угол смачивания и диаметр контакта в меньшей степени зависят от силы тяжести, чем сила Архимеда — а потому в условиях пониженной силы тяжести более важную роль играет поверхностное натяжение, из-за чего большее количество пузырей остается на поверхности электрода.

При оценке эффективности электролиза ученые сформировали следующие указания технических условий электролиза — если проводить его при тех же параметрах, что и на Земле, то выход по кислороду снизится на 11 процентов, однако решить эту проблему можно всего лишь увеличив мощность тока на 1,1 процента в гальваностатической реализации электролиза (когда постоянной остается сила тока, а не потенциал в отличие от потенциостатической реализации). Однако стоит учесть, что эти числа получены для маленьких ячеек и их масштабирование на большие электролизеры может привести к куда большим потерям энергии, что необходимо учитывать при планировании колонизационных миссий для эффективного обеспечения людей кислородом.

Таким образом, электрохимики показали, что эксперименты в условиях повышенной силы тяжести, которую несложно контролировать и использовать в Земных условиях, можно распространить на малую силу тяжести, наблюдаемую на космических телах меньшего размера и массы, чем Земля. Это поможет лучше предсказывать технологические процессы и подстраивать их под реалии новых условий. В 2017 году биологи из Америки уже установили, что микрогравитация положительно влияет на бактерии, а эксперименты в 2017 году по выращиванию картофеля в условиях марсианской почвы и пониженной силе тяжести принесли свои плоды.

Артем Моськин