Космические агентства и частные компании уже разработали всесторонние планы отправки людей на Марс в ближайшие несколько лет, с целью его колонизации. При растущем числе открытых планет земного типа около ближайших звёзд, дальнее космическое путешествие вызывает энтузиазм.

Но человеку непросто выжить в космосе в течение длительного времени. Одна из основных проблем дальнего космического полёта — транспортировка достаточного количества кислорода для дыхания астронавтов и топлива для обеспечения энергией. К сожалению, в космосе нет доступного кислорода, и огромные расстояния не позволяют рассчитывать на частые дозаправки.

Однако исследование, опубликованное в Nature Communications, показывает возможность получать водород (топливо) только из воды, используя полупроводниковый материал и солнечный (звёздный) свет в отсутствии гравитации, что делает возможным длительное космическое путешествие.

Подпись к изображению: Астронавт НАСА Кейт Рубинс работает с ёмкостью системы заправки азота/углерода на борту МКС. Эти ёмкости включаются в систему снабжения воздухом и пополняют запас воздуха станции

Научиться использовать солнечную энергию как неограниченный ресурс для обеспечения энергией повседневной деятельности является важной задачей для землян. По мере того, как мы постепенно продвигаемся от нефти к возобновляемым источникам энергии, исследователи заинтересовались возможностью использовать водород в качестве топлива. Самый лучший способ получить его — разложить воду на составляющие её кислород и водород. Для этого используется процесс электролиза, при котором электрический ток пропускается через воду с примесью электролита. При этом молекулы воды распадаются на кислород и водород, которые выделяются у противоположных электродов.

Энергия солнца

Получаемый из воды водород можно использовать как топливо и на борту космического корабля. К тому же, запуск ракеты с запасом воды будет намного безопаснее, чем полёт с дополнительным топливом и кислородом на борту, представляющими опасность взрыва. В космосе специальная технология может быть применена для разложения воды на водород и кислород, которые используются для поддержания жизни и производства энергии в топливных ячейках.

Для этого есть два способа. В одном применяется электролиз, с использованием электролита и фотоэлектрических чяеек для захвата солнечного света и превращения его в электрический ток.

Подпись к изображению: Фотокатализатор производит водород из воды

Альтернативой является использование «фотокатализаторов», которые заставляют погруженный в воду полупроводниковый материал поглощать фотоны. Энергия фотона передаётся электрону полупроводника, который покидает своё место, оставляя «дырку». Эти свободные электроны могут взаимодействовать с протонами (которые, наряду с нейтронами, образуют атомное ядро) в воде с образованием водорода.

Это процесс можно обратить. Водород и кислород могут встретиться и «рекомбинировать», при этом топливная ячейка вернёт полученную при фотокатализе солнечную энергию. При рекомбинации образуется вода, которую снова можно использовать.

Использование фотокатализа является наилучшим вариантом для космических полётов, так как требуемое оборудование весит намного меньше, чем необходимое для электролиза. В теории, это должно работать хорошо, также и ввиду много бОльшей интенсивности солнечного света за пределами земной атмосферы.

Управление пузырьками

В новом исследовании полноценное устройство фотокатализа было сброшено с высоты 120 метров в экспериментальной башне, с получением эффекта невесомости.

Таким образом, показана возможность разложить воду в условиях невесомости. Однако, в процессе образуются пузырьки. Очень важно избавить материал катализатора от этих пузырьков, так как они затрудняют образование газа. На земной поверхности сила тяжести заставляет пузырьки всплывать, освобождая место для следующего пузырька.

В условиях невесомости образовавшийся пузырёк останется на катализаторе или рядом с ним. Но учёные сумели изменить наноструктуру катализатора, создав области в форме пирамид, от вершины которых пузырьки могут легко отделяться.

Но остаётся одна проблема — в отсутствии силы тяжести пузырьки остаются в жидкости. Гравитация позволяет газам легко покинуть жидкость, что критически важно для использования чистых водорода и углерода. В невесомости пузырьки газа не всплывают на поверхность, а остаются в жидкости, образуя пену.

Это резко снижает эффективность, блокируя катализатор и электроды. Решение этой проблемы является ключевым фактором для успешного применения технологии в космосе. Один из вариантов — использование вращения космического корабля для создания центробежной силы, отделяющей газ от жидкости.