Как производят кислород в космосе? Представлен новый способ дышать за пределами Земли

Представьте себе будущую базу на Марсе или Луне. Высокотехнологичные роверы, купола, напечатанные на 3D-принтере, передовые научные приборы. А теперь представьте, что самая хрупкая и потенциально уязвимая система во всём этом великолепии — та, что позволяет людям просто дышать. С самого начала космической эры, с 1960-х годов, надёжное производство кислорода за пределами Земли остаётся одной из самых сложных инженерных головоломок.

На Международной космической станции (МКС) эту задачу решают громоздкие и прожорливые системы. Они работают, но их сложно назвать изящными. Для долговременных миссий, где на счету каждый килограмм груза и каждый ватт энергии, такое оборудование — непозволительная роскошь. Но что, если я скажу вам, что решение может быть до смешного простым и скрывается в силе, знакомой нам с детства?

Международная команда учёных из Великобритании, Германии и США представила концепцию, которая может кардинально изменить правила игры. Их оружие — обычный магнит.

Проблема липких пузырьков

Чтобы понять масштаб прорыва, нужно сперва разобраться в корне проблемы. Самый очевидный способ получить кислород в космосе — взять воду (H₂O) и расщепить её на водород (H₂) и кислород (O₂) с помощью электричества. Этот процесс называется электролизом. На Земле всё просто: вы опускаете два электрода в воду, подаёте ток, и на одном электроде весело поднимаются к поверхности пузырьки кислорода, а на другом — водорода. Ключевое слово здесь — «поднимаются».

В космосе, в условиях микрогравитации, нет ни верха, ни низа. Сила Архимеда, которая заставляет пузырьки всплывать, практически исчезает. В результате пузырьки газа, образуясь на поверхности электродов, никуда не уходят. Они просто прилипают к ним, образуя пенистый слой, который изолирует электрод от воды. Процесс замедляется, а то и вовсе останавливается. Это как пытаться приготовить газировку в невесомости — пузырьки просто «закупорят» систему.

Инженеры на МКС решили эту проблему «в лоб»: они используют массивные центрифуги, которые раскручивают воду, создавая искусственную гравитацию и отбрасывая пузырьки от электродов. Это работает, но требует движущихся частей (которые могут сломаться), сложного обслуживания и, что самое главное, огромного количества драгоценной энергии.

Изящный выход: заставить физику работать на себя

Учёные из Уорикского университета, центра ZARM и Технологического института Джорджии задались вопросом: а можно ли обойтись без грубой механики? Можно ли найти силу, которая будет выполнять ту же работу, но без движущихся частей и лишних энергозатрат? Ответ нашёлся в магнетизме.

Команда разработала не один, а сразу два способа управлять непослушными пузырьками с помощью магнитных полей.

1. Магнитная «плавучесть»

Звучит как магия? На самом деле, это чистое проявление диамагнетизма. Большинство из нас знает о материалах, которые притягиваются к магниту (ферромагнетики, как железо). Но существуют и диамагнетики — вещества, которые отталкиваются от магнитного поля. И вода — один из них.

В земных условиях эта сила настолько слаба, что мы её не замечаем. Но в невесомости, где другие силы сведены к минимуму, она выходит на первый план. Размещая постоянные магниты рядом с электролитической ячейкой, исследователи создали поле, которое мягко отталкивает воду. А поскольку пузырьки газа (кислород и водород) практически не реагируют на магнитное поле, вода сама выталкивает их прочь от электродов и направляет к специальным точкам сбора. Это похоже на эффект выталкивания, только вместо гравитации работает магнит. Абсолютно пассивная система, не требующая ни ватта энергии.

2. Жидкий вихрь без мотора

Второй метод ещё интереснее. Он основан на магнитогидродинамике — взаимодействии электропроводящей жидкости и магнитного поля. Помните, что для электролиза мы пропускаем через воду электрический ток? Так вот, когда этот поток заряженных частиц (ионов) движется в магнитном поле, на него начинает действовать сила Лоренца.

Эта сила закручивает жидкость вокруг электродов, создавая устойчивый микро-вихрь. Этот конвективный поток действует точь-в-точь как центрифуга: он подхватывает лёгкие пузырьки газа и отбрасывает их от поверхности электрода в центр вихря, где их легко собрать. Получается своего рода «центрифуга без движущихся частей», приводимая в движение фундаментальными законами физики.

От теории к башне свободного падения

Конечно, одних расчётов мало. Чтобы доказать свою правоту, команда провела серию экспериментов в знаменитой Бременской башне свободного падения (ZARM Drop Tower). Это уникальная установка высотой 146 метров, внутри которой можно создавать условия почти идеальной микрогравитации на несколько секунд, сбрасывая экспериментальную капсулу в вакуумной трубе.

Результаты превзошли все ожидания. Эксперименты подтвердили, что оба магнитных метода не просто работают, но и повышают общую эффективность производства кислорода до 240% по сравнению с работой системы в невесомости без внешнего воздействия. «Разработанные нами ячейки позволяют производить кислород в микрогравитации с эффективностью, почти не уступающей земной», — отмечает Омер Акай, научный сотрудник ZARM.

Этот прорыв — результат четырёхлетней кропотливой работы. Он открывает дорогу к новому поколению систем жизнеобеспечения: лёгких, надёжных, энергоэффективных и не требующих сложного обслуживания. Это именно то, что нужно для смелых миссий к Марсу и за его пределы. Следующим шагом для команды станет проверка технологии в реальных условиях — во время суборбитальных ракетных полётов.

Так что, возможно, в следующий раз, когда вы увидите кадры с будущей лунной станции, знайте: воздух, которым дышат астронавты, может быть результатом не грохочущей механики, а тихого и элегантного танца воды и магнитных полей.