С начала 21 века люди все чаще грезят полётами в космос и космической колонизацией. Каких только идей не встретишь на просторах интернета и, в частности, "Яндекс Дзена". Кажется, что люди готовы заселить всё, начиная от Луны и Марса, заканчивая Венерой, Титаном и даже неизведанными планетами звёздной системы Альфа Центавра.
Казалось бы, что там?! Сел на ракету, долетел до пункта назначения, успешно высадился и основал колонию, обустроив её всем самым необходимым для жизнеобеспечения. С чего нужно начать? Правильно! С кислорода! То, без чего человек не сможет жить вовсе.
Давайте с Вами рассмотрим, каким вообще образом можно получить кислород в космосе.
1. Электролиз воды.
Самое простое, что только можно придумать. Данным способом происходит генерация кислорода на МКС (Международной Космической Станции).
В ходе электролиза (реакции выделения составных компонентов при прохождении электрического тока) воды, исходное вещество раскладывается на кислород и водород. Первый компонент используется для осуществления дыхания на борту станции, а второй (водород) попросту удаляется за борт (что на мой взгляд является расточительством, но не будем спорить с конструкторами из НАСА).
Всё просто! При пропускании тока катод притягивает катионы водорода, а анод анионы OH. В результате химико-физической реакции выделяются кислород и водород.
Дистиллированная вода является слабым электролитом. По этой причине для повышения электропроводности в неё добавляют 15-20 % щелочь (NaOH или KOH). Для разделения кислорода и водорода используют мембраны.
КПД подобной установки составляет до 70%. Главный недостаток - высокие энергозатраты на получение кислорода подобным образом в космосе. Требуется стабильный мощный источник энергии. На текущий момент на МКС для этого используют энергию солнца. К тому же выброс водорода за борт станции также является нецелесообразным.
Открытие на Марсе залежей подземных вод и льда делают получение кислорода с помощью электролиза воды самым подходящим способом, так как не требуют поставок с Земли. Достаточно лишь обеспечить установки энергией, которую можно получить с помощью солнечных батарей.
Можно ли как-то усовершенствовать процесс получения кислорода в космосе?
2. Реакция Сабатье.
Для протекания электролиза требуется наличие исходного сырья - воды. В условиях дальних космических полётов пополнение запасов может показаться роскошью, а использование дополнительного резервного объема значительно утяжеляет и без того тяжелую конструкцию. При этом за борт регулярно выбрасывается водород, так же, как и выдыхаемый экипажем углекислый газ.
Суть реакции Сабатье заключается в том, чтобы использовать образующиеся остатки с целью повторного получения воды.
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O + энергия
Полный цикл можно изобразить в виде:
2H2O → O2 + 2H2 (электролиз) → (дыхание) → CO2 + 2H2 + 2H2 (добавляется ещё водород) → 2H2O + CH4 (преобразуется в углерод и водород)
CH4 + тепло → C + 2H2
Метан распадается на углерод и водород, восполняющий запасы водорода, для осуществления химической реакции.
Таким образом, можно получить замкнутый контур для получения кислорода и обеспечения жизнедеятельности при полётах в космосе. Единственный недостаток - это потребность в регулярной прочистке реактора Сабатье. Образуемый в ходе химических реакций углерод осаждается на поверхности и со временем её полностью забивает. Другая сложность заключается в необходимости поддержания необходимой температуры для распада метана на компоненты, что требует затрат энергии.
Реакция Сабатье совместно с электролизом рассматривается, как самый экономически целесообразный способ получения кислорода на Марсе.
3. Использование фотокатализаторов.
Если Вы знакомы с физическими основами электроники, то вам должно быть известно, что некоторые полупроводниковые материалы (например, диоксид титана) при помещении в воду способны поглощать фотоны.
Их энергия выбивает электроны из полупроводника, образуя "дырку" (свободную ячейку). Полученные подобным образом электроны взаимодействуют с протонами воды, образуя свободный атом водорода. В свою очередь, "дырка" притягивает электроны воды, высвобождая атом кислорода.
Почему это может быть интересно и полезно для получения кислорода в космосе? Во-первых, интенсивность солнечного света вне атмосферы Земли намного выше, чем на нашей планете. Это даёт огромный потенциал в области генерации кислорода. Во-вторых, подобная установка значительно меньше, чем электролизер. А как мы знаем, от лишней тяжести в космическом пространстве нужно по-возможности избавляться.
Теперь рассмотрим "неприятную" сторону подобной технологии. Многочисленные эксперименты показали, что на Земле с протеканием реакций нет никаких проблем. Они протекают беспроблемно. Но в космосе всё намного сложнее. Там невесомость...В результате вместо высвобождения водорода и кислорода, мы получаем всего лишь пену (побочное действие, связанное с малыми гравитационными взаимодействиями). Т.е. на текущий момент времени на космической станции не получится использовать фотокатализаторы для получения кислорода.
Какие есть выходы из ситуации? Первое, что приходит на ум - создать схожую с земной гравитацию искусственно. По крайней мере исключительно для данной установки. Для осуществления можно задействовать центробежную силу. В данном направлении есть ряд экспериментальных наработок, мы их рассмотрим в отдельной статье. Второй вариант - не использовать полупроводниковые фотокатализаторы для космических полётов, а выделить их для генерации кислорода и водорода в колониях, например, на Марсе, о колонизации которого уже много, кто мечтает.
Понравилась статья?! Тогда Вам будет интересно подписаться на наш канал, где вы найдете еще больше полезной информации.
