Metode til at lave ilt fra vand uden tyngdekraft giver håb om langdistance-rumrejser

Rumbureauer og private virksomheder har allerede avancerede planer om at sende mennesker til Mars i de næste par år - i sidste ende kolonisere den. Og med et stigende antal opdagelser af jordlignende planeter omkring nærliggende stjerner, lange rumrejser har aldrig virket mere spændende.

Imidlertid, det er ikke let for mennesker at overleve i rummet i længere tid. En af hovedudfordringerne med langdistance-rumflyvning er at transportere nok ilt til, at astronauter kan trække vejret, og nok brændstof til at drive kompleks elektronik. Desværre, der er kun lidt ilt til rådighed i rummet, og de store afstande gør det svært at lave hurtige genopfyldninger.

Men nu en ny undersøgelse, udgivet i Naturkommunikation , viser, at det er muligt at producere brint (til brændstof) og ilt (for livet) alene fra vand ved hjælp af et halvledermateriale og sollys (eller stjernelys) i nul tyngdekraft - hvilket gør vedvarende rumrejser til en reel mulighed.

At bruge solens ubegrænsede ressource til at drive vores hverdag er en af ​​de største udfordringer på Jorden. Mens vi langsomt bevæger os væk fra olie til vedvarende energikilder, forskere er interesserede i muligheden for at bruge brint som brændstof. Den bedste måde at gøre dette på er ved at splitte vand (H ₂ O) til dets bestanddele:brint og oxygen. Dette er muligt ved hjælp af en proces kendt som elektrolyse, som indebærer at køre en strøm gennem en vandprøve indeholdende noget opløselig elektrolyt. Dette nedbryder vandet til ilt og brint, som frigives separat ved de to elektroder.

Selvom denne metode er teknisk mulig, det er endnu ikke blevet let tilgængeligt på Jorden, da vi har brug for mere brintrelateret infrastruktur, såsom brintpåfyldningsstationer, at skalere det op.

Solenergi

Brint og ilt produceret på denne måde fra vand kunne også bruges som brændstof på et rumfartøj. At affyre en raket med vand ville faktisk være meget sikrere end at affyre den med yderligere raketbrændstof og ilt om bord, som kan være eksplosive. En gang i rummet, speciel teknologi kunne splitte vandet i brint og ilt, som igen kunne bruges til at opretholde liv eller til at drive elektronik via brændselsceller.

Der er to muligheder for at gøre dette. Den ene involverer elektrolyse, som vi gør på Jorden, ved hjælp af elektrolytter og solceller til at fange sollys og omdanne dette til en strøm.

Alternativet er at bruge "fotokatalysatorer", som virker ved at absorbere lyspartikler – fotoner – i et halvledermateriale, der føres ind i vandet. Energien af ​​en foton bliver absorberet af en elektron i materialet, som derefter hopper, efterlader et hul. Den frie elektron kan reagere med protoner (som udgør atomkernen sammen med neutroner) i vand for at danne brint. I mellemtiden hullet kan absorbere elektroner fra vand og danne protoner og ilt.

Processen kan også vendes. Brint og ilt kan bringes sammen eller "rekombineres" ved hjælp af en brændselscelle, der returnerer solenergien, der optages af "fotokatalysen" - energi, der kan bruges til at drive elektronik. Rekombination danner kun vand som et produkt - hvilket betyder, at vandet også kan genbruges. Dette er nøglen til langdistance-rumrejser.

Processen med fotokatalysatorer er den bedste mulighed for rumrejser, da udstyret vejer meget mindre end det, der er nødvendigt til elektrolyse. I teorien, det burde virke nemt. Det skyldes blandt andet, at intensiteten af ​​sollys er langt højere, uden at Jordens atmosfære absorberer store mængder på vej igennem til overfladen.

Boblehåndtering

I den nye undersøgelse, forskerne droppede hele eksperimentelle opsætning til fotokatalyse ned i et 120 m faldtårn, skabe et miljø, der ligner mikrogravitation. Når objekter accelererer mod Jorden i frit fald, tyngdekraftens virkning aftager, da kræfter udøvet af tyngdekraften ophæves af lige store og modsatte kræfter på grund af accelerationen. Dette er modsat de G -kræfter, astronauter og jagerpiloter oplever, når de accelererer i deres fly.

Det lykkedes forskerne at vise, at det faktisk er muligt at spalte vand i dette miljø. Imidlertid, når vandet splittes for at skabe gas, bobler dannes. Det er vigtigt at slippe af med bobler fra katalysatormaterialet, når det først er dannet - bobler hindrer processen med at skabe gas. På jorden, tyngdekraften får boblerne til automatisk at flyde til overfladen (vandet nær overfladen er tættere end boblerne, hvilket gør dem opkøbende) – frigør plads på katalysatoren til den næste boble, der skal produceres.

I tyngdekraften er dette ikke muligt, og boblen vil forblive på eller i nærheden af ​​katalysatoren. Imidlertid, forskerne justerede formen på nanoskala-træk i katalysatoren ved at skabe pyramideformede zoner, hvor boblen let kunne løsne sig fra spidsen og flyde ud i mediet.

Men et problem er tilbage. I mangel af tyngdekraft, boblerne vil forblive i væsken - selvom de er blevet tvunget væk fra selve katalysatoren. Tyngdekraften gør det muligt for gasserne let at undslippe væsken, hvilket er afgørende for brug af det rene hydrogen og ilt. Uden tilstedeværelse af tyngdekraft, ingen gasbobler flyder op til overfladen og skilles fra blandingen – i stedet forbliver al gassen for at danne et skum.

Dette reducerer effektiviteten af ​​processen dramatisk ved at blokere katalysatorerne eller elektroderne. Tekniske løsninger omkring dette problem vil være nøglen til succesfuld implementering af teknologi i rummet - med en mulighed at bruge centrifugalkræfter fra rotation af et rumfartøj til at adskille gasserne fra løsningen.

Alligevel, takket være denne nye undersøgelse er vi et skridt tættere på langvarig menneskelig rumflyvning.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.