Міжнародна група дослідників розробила новий спосіб виробництва кисню на Червоній планеті з використанням газів місцевої атмосфери та холодної плазми. Технологія може зіграти вирішальну роль в розробці систем життєзабезпечення людини, оскільки дозволяє отримати багато кисню для дихання, виробництва ракетного палива, добрив і будівельних матеріалів при мінімальній вазі обладнання.
Вуглекислотна плазма, створена в лабораторії фізики плазми Політехнічної школи у Франції / © Olivier Guaitella
Програми космічних польотів, націлених на наукове дослідження і можливу колонізацію Місяця і Марса, постійно розширюються і ставлять все більш амбітні завдання. Важливим орієнтиром стала місія NASA Artemis III, під час якої повинна відбутися висадка людей на поверхню Місяця в 2024 році, вперше за останні 50 років. Серед довгострокових цілей цієї місії – стійка присутність людини на земному супутнику (або його орбіті) і використання отриманих навичок і знань для наступного кроку — відправки людей на Марс.
Так зване використання ресурсів на місці (збір і переробка ресурсів, знайдених, наприклад, на Марсі, і їх використання для життєзабезпечення людини) має вирішальне значення для втілення цих планів в життя. Адже куди простіше, дешевше і безпечніше для космічних поселень буде розробити технологію отримання того ж кисню з атмосфери або реголіту (грунту) Червоної планети, ніж доставляти його з Землі. Але ж кисень потрібен не тільки для дихання астронавтів, а й, наприклад, як компонент ракетного палива.
Міжнародна група вчених з Португалії, Франції, США та Нідерландів запропонувала новий підхід до виробництва кисню в умовах Марса. Їх технологія заснована на генерації нетеплової (холодної) плазми і використанні провідних мембран для розділення газової суміші. Детальний опис розробки, а також результати випробувань перших прототипів викладені в статті, опублікованій в журналі Journal of Applied Physics.
- Астрономи знайшли пляму дивної форми на зірці в 500 млн світлових років від Землі
- Фізик назвав можливими повільні мандрівки через червоточини
Холодна плазма – високореактивне газове середовище, яка зазвичай створюється і підтримується електричними розрядами. У ній співіснують вільні високоенергетичні електрони і відносно холодні неіонізовані молекули газу – на відміну від звичайної плазми (з якої, наприклад, складаються зірки), що складається з електронів і позитивно і негативно заряджених іонів. Цей вид плазми називають холодною або нетепловою, оскільки отримують при температурах, близьких до кімнатної, замість декількох тисяч градусів, характерних для звичайної (теплової або гарячої) плазми.
Ідея авторів нової роботи полягає в тому, щоб за допомогою цих вільних електронів холодної плазми і без нагріву отримати з вуглекислого газу, якого в атмосфері Марса більше 95 відсотків, кисень. Потім, використовуючи спеціальні провідні мембрани, відфільтрувати кисень з отриманої газової суміші і застосувати його для дихання, виробництва ракетного палива, добрив і будівельних матеріалів.
За словами дослідників, сильні сторони розробленої плазмової технології в тому, що вона компактна, масштабована, надійна, універсальна і не вимагає дорогих матеріалів. До того ж на відміну від інших способів отримання кисню, метод ідеально адаптований до живлення від непостійних джерел енергії (наприклад, сонячних батарей) і може працювати при марсіанському зниженому тиску, оскільки воно ідеально підходить для займання плазми. Це вигідно відрізняє нову технологію отримання кисню від твердооксидного електролізу, використовуваного в приладі MOXIE, встановленому на ровері Perseverance і вже проходить тестування на Марсі.
Вчені не обмежилися теоретичним дослідженням і вирішили перевірити працездатність технології під час двох експериментальних кампаній в лабораторії фізики плазми Політехнічної школи (Франція) і голландському інституті фундаментальних енергетичних досліджень (Нідерланди).
У першому тесті роботу експериментальної установки оцінювали при знижених температурах (середня температура на поверхні Марса — мінус 60 градусів Цельсія), а в другому — при зниженому марсіанському тиску (приблизно в 100 разів менше, ніж на Землі).
Експерименти показали, що в обох випадках прототип був здатний перетворювати до третини вуглекислого газу в кисень, а це вважається досить хорошим показником. У будь-якому випадку автори роботи вважають, що це лише перший крок на шляху розвитку технології. Згодом, удосконалюючи моделі опису холодної плазми і провідних мембран, а також покращуючи пристрій і схему роботи прототипу, можна домогтися ще більш вражаючих результатів.