ОСТОРОЖНО, МНОГО ТЕКСТА!
Что бы разобраться, что такое фотоэлектрохимическая ячейка и как она производит кислород, вспомним сначала другие способы его производства на орбите, на Луне и на Марсе:
1) Фотосинтез- это то, что делают растения, бактерии и археи, на нашей планете с незапамятных времён. Собственно, именно из-за этого процесса на древней Земле и произошла "кислородная катастрофа", которая создала условия для появления сложных форм жизни и, в конечном итоге, людей.
Фотосинтез ответственен не только за появления кислорода в атмосфере Земли, но и за его постоянное поступление, преобразуя воду и углекислый газ с помощью энергии Солнца в кислород и углеводы.
Именно этим способом получения кислорода и пользовались в имитационном исследовании "БИОС-3", где удалось достичь практически полного замыкания системы по газам и воде, используя микроводоросль хлореллу (Chlorella vulgaris).
И, даже не смотря на то, что эффективность (КПД) фотосинтеза составляет, всего лишь, примерно 1%, данный способ получения кислорода на Марсе и Луне (на её полюсах), является предпочтительным, в виду того, что растения могут напрямую преобразовывать энергию солнечного света в кислород, утилизируют углекислый газ и при этом, ещё и создают питательные вещества.
2) Электролиз воды- это физико-химический процесс разложения воды на составляющие, под действием электрического тока. Для этого необходимо иметь сосуд наполненный водой, в неё опускаются два электрода (или две пластины), которые обычно сделаны из инертного металла (платина или иридий). При пропускании электрического тока через воду, на катоде (где электроны попадают в воду) появляется водород, а на аноде — кислород.
Для получения кислорода данным способом обязательно нужна электрическая энергия. И если взять за основу самую ближайшую к реализации концепцию внеземного поселения "Mars Base Alpha", то Илон Маск планирует использовать солнечные панели для получения электричества.
КПД лучших солнечных панелей на Земле достигает 20%, Марс получает примерно в два раза меньше энергии, чем Земля, поэтому делим КПД на два, и ещё половина суток, это ночь, когда панели бесполезны, делим ещё на два. В итоге получаем КПД солнечных панелей на Марсе равное 5% (в лучшем случае).
Ещё есть КПД самого электролиза, обычно оно доходит до 80%. Значит в итоге, КПД преобразования солнечного света в кислород составляет, в лучшем случае, всего лишь 4%. Хотя, это всё ещё больше чем 1% эффективности фотосинтеза. Это можно считать плюсом.
Минусом же будет являться выделение побочного продукта- водорода. Ещё нет достаточно эффективных способов его долгого хранения и транспортировки в чистом виде.
Стоит отметить, что водород, полученный в электролизе, можно использовать в реакции Сабатье. В этой реакции, при повышенной температуре и давлении, в присутствии катализатора, углекислый газ объединяется с водородом, для производства метана и воды. Воду после этого можно опять подвергнуть электролизу. То есть получить топливо (метан) и окислитель (кислород), для "Starship".
Есть конечно и некоторое снижение эффективности электролиза в условиях пониженной силы тяжести. Хотя, в теории, есть способы обойти это ограничение и даже повысить КПД, рассмотрим это в другой раз.
3) Мокси- данный метод получения кислорода, заключается в твёрдооксидном электролизе углекислого газа. В нём, прибор закачивает внутрь себя углекислый газ (или марсианскую атмосферу, состоящую на более чем 95% из него) и расщепляет на угарный газ и кислород. Угарный газ, как побочный продукт, выбрасывается в атмосферу или может использоваться в промышленности.
Прибор "MOXIE", установленный на ровере "Perseverance", уже доказал работоспособность данного метода на Марсе.
4) Холодная плазма- способ схожий с Мокси, он так же позволяет получать кислород и угарный газ, но иным способом.
Состоит способ в всасывании марсианской атмосферы, но в отличии от Мокси, давление повышать до земного уровня не требуется. Затем, с помощью постоянных разрядов зажигается плазма, в которой и будет разделяться углекислый газ на угарный газ и нужный нам кислород. Далее, как и в Мокси, с помощью мембран разделяем газы.
5) Пиролиз углекислого газа- суть процесса заключается в разложении углекислого газа (можно и угарный после Мокси) на составляющие химические элементы, под действием повышенной температуры и при недостатке кислорода.
Как уже было написано выше, марсианская атмосфера, состоит на более чем 95% из углекислого газа и в ней практически отсутствует кислород. Состав атмосферы почти идеален для проведения данного процесса.
Конечно, он крайне энергозатратен, в виду разогрева до высоких температур, однако, если необходимо получить не только кислород, но и углерод, то это лучший вариант.
Углерод, получившийся как побочный продукт реакции, можно использовать для: легирования стали, углеродных композитов, посыпания полюсов и др..
6) Металлургия- подавляющее большинство всего, что находится у нас под ногами, это различные минералы, а они в свою очередь, являются оксидами металлов. Это означает, что достаточно отобрать у них атомы кислорода и мы получим чистый металл, ну или скорее смесь металлов. Именно этим и занимается металлургия, во время получения металлов из руды.
Основные способы отобрать кислород у металла, заключаются в том, что бы нагреть руду, а затем пропустить через неё вещество (газ), которое и заберёт атомы кислорода. На Земле таким веществами являются: каменноугольный кокс (угарный газ) и водород.
На Марсе огромное количество железа в связанном состоянии, из-за этого даже сама планета имеет красноватый оттенок, ведь это цвет ржавчины (окисленного железа). Посему, очень долгое время основным конструкционным материалом будет являться сталь. Создать её относительно легко, технологии есть и отработаны чуть ли не тысячелетиями.
Кислород, полученный в связанном состоянии (углекислый газ и вода), можно отделить, методами рассмотренными выше. Поэтому данный способ, хоть и не прямой, для получения кислорода, однако подходит под технологию получения кислорода.
Опять же, если использовать водород, то необходимо помнить, что с ним крайне сложно иметь дело, поэтому этот метод не является лучшим, хоть и позволяет произвести чистое железо, однако, есть и другие, более простые способы для этого.
7) Электролиз металлов- данный способ, в отличии от предыдущего отличается тем, что можно получить смесь металлов и кислород напрямую.
Заключается данный способ в том, что бы поместить реголит в сетчатую корзину, затем добавить соль (хлорид кальция), это электролит и нагреть данную смесь до 950°С. При этой температуре материал не плавится и остается твердым. Затем подается ток, из реголита выделяется кислород и попутно переносит соль на анод, где её можно легко удалить и использовать повторно.
При этом, полученную смесь металлов можно разделить с помощью одной интересной технологии с использованием угарного газа.
8) Фотоэлектрохимические ячейки- а вот и ещё один способ получения кислорода из воды (исследование эффективности). Процесс разложения воды схож с электролизом, с тем лишь отличием , что здесь вода расщепляется не электричеством, полученным от солнечных панелей, а непосредственно от солнечного света.
Суть процесса заключается в том, что через прозрачную часть ячейки, солнечный свет попадает на фотоанод, который вместе с катодом погружены в электролит, в нашем случае в воду. Свет действует на анод и вырабатывает электричество, которое сразу же и расщепляет воду на составляющие: водород и необходимый нам кислород.
Данный метод может быть более эффективным, чем связка солнечной панели и электролизера, хотя так же зависит от солнечного света. Его можно так же улучшить, если на прозрачную часть добавить слой из люминесцентного концентратора.
Есть у данных ячеек и ещё один способ использования, с помощью него можно расщеплять ещё и углекислый газ, до кислорода и угарного газа.
Кому удобнее читать нас в вк: vk.com/mar_tians
Телеграм: t.me/mar_tians
Так же подписывайтесь на ютуб канал, цель 100 подписчиков, для начала публикации новостей и там: youtube.com/mar_tians