Wyprodukowano w mikrograwitacji – katalizatory życia w kosmosie
Aby utrzymać ludzką obecność na Księżycu lub Marsie, musimy opracować technologie, które mogą wykorzystywać lokalne zasoby, takie jak woda, do produkcji tlenu i wodoru, które mogą być wykorzystywane jako paliwa i do podtrzymywania życia.
Na Ziemi elektroliza może rozszczepiać wodę na te niezbędne gazy, ale nasza obecna technologia jest zbyt energochłonna i podatna na awarie, aby można ją było niezawodnie wykorzystać w misjach kosmicznych. W ramach niedawnego projektu, współfinansowanego przez ESA Discovery, zbadano, czy wytwarzanie katalizatorów rozszczepiających wodę w warunkach mikrograwitacji może zapewnić bardziej efektywne rozwiązanie.
Projekt „Synteza nanokatalizatorów do konwersji energii słonecznej w środowiskach o zmniejszonej grawitacji” koncentrował się na układach fotoelektrochemicznych – urządzeniach łączących wychwytywanie energii słonecznej z elektrolizą w celu bezpośredniego rozszczepienia wody za pomocą światła słonecznego – i został przeprowadzony przez naukowców z Centrum Stosowanych Badań Kosmicznych i Mikrograwitacji na Uniwersytecie w Bremie.
Ich praca mierzy się z fundamentalnym wyzwaniem, jakim jest to, w jaki sposób uczymy się żyć w sposób zrównoważony poza Ziemią, badając, czy wyjątkowe warunki panujące w kosmosie mogą pomóc nam w produkcji lepszych materiałów do przetrwania.
Elektroliza – wykorzystanie energii elektrycznej do rozszczepienia cząsteczek wody na wodór i tlen – jest dobrze znanym procesem, ale napotyka na uporczywy problem w zastosowaniach kosmicznych. Gdy gazy tworzą się podczas reakcji, tworzą pęcherzyki na powierzchni katalizatora, które działają jak izolatory.
– Pierwsza warstwa pęcherzyków powstających podczas procesu elektrolizy działa jak izolator, utrudniając proces. Za każdym razem, gdy to wykonujesz, na początku wszystko działa dobrze, ale potem tworzysz warstwę pęcherzyków i to już nie działa – wyjaśnia Sebastien Vincent-Bonnieu z ESA.
Podejście zespołu z Bremy rozwiązuje ten problem za pomocą innowacyjnych nanostrukturalnych projektów powierzchni, poprzez realizację powierzchni zaprojektowanych z cechami tysiące razy mniejszymi niż szerokość ludzkiego włosa. Zamiast próbować zapobiegać tworzeniu się pęcherzyków, ich system tworzy precyzyjnie zaprojektowane geometrie, które umożliwiają tworzenie się pęcherzyków gazu i ciągłe odklejanie się od określonych punktów na powierzchni katalizatora. Zapobiega to gromadzeniu się izolacyjnej warstwy pęcherzyków, dzięki czemu proces elektrolizy może przebiegać w nieskończoność, a nie zatrzymuje się po początkowym utworzeniu gazu.
Testy mikrograwitacji przyniosły obiecujące wyniki – opracowane materiały katalityczne są co najmniej tak samo aktywne, jak te zsyntetyzowane na Ziemi. Potencjał tej technologii wykracza poza eksplorację kosmosu.
– Ta technologia może być najpierw wykorzystana na Ziemi, a następnie przeniesiona w przestrzeń kosmiczną. Co więcej, zasada fotoelektroosadzania w syntezie nanomateriałów i funkcjonalizacji powierzchni może być również pomocna w innych zastosowaniach – powiedział także Vincent-Bonnieu.
Bardziej wydajne systemy elektrolizy mogą znacznie poprawić produkcję wodoru i magazynowanie energii na Ziemi, przyczyniając się do wysiłków na rzecz energii odnawialnej, zanim ostatecznie wesprą misje kosmiczne.
Jeśli chodzi o przyszłą eksplorację Księżyca i Marsa, wizja jest ambitna: urządzenia przypominające panele słoneczne, które bezpośrednio przekształcają światło słoneczne i lokalnie pozyskiwaną wodę w tlen i paliwo potrzebne do przetrwania człowieka. Takie systemy stanowiłyby kluczowy krok w kierunku zrównoważonej eksploracji kosmosu, której będą wymagały misje do innych światów – gdzie zasoby potrzebne do podtrzymania ludzkiego życia mogą być produkowane lokalnie, a nie wysyłane z Ziemi.
Źródło: ESA
Czytaj też: Najpotężniejsze wybuchy we Wszechświecie nie przychodzą z supernowych?
Grafika tytułowa: Linus Nylund / Unsplash
