Om lidt over et årti planlægger NASA at sende astronauter til Mars for første gang. Denne mission vil bygge på årtiers robotudforskning, indsamle prøver fra overfladen og returnere dem til Jorden til analyse. I betragtning af den enorme afstand, der er involveret, skal alle operationer på Mars-overfladen være så selvforsynende som muligt, hvilket betyder, at de skal hente alt, hvad de kan lokalt.
Dette inkluderer at bruge det lokale vand til at skabe oxygengas, drikkevand og raketbrændstof, hvilket repræsenterer en udfordring i betragtning af, at alt flydende vand sandsynligvis er saltvand. Heldigvis har et team af forskere fra McKelvey School of Engineering ved Washington University i St. Louis (WUSTL) har skabt en ny type elektrolysesystem der kan omdanne saltvand til brugbare produkter, samtidig med at det er kompakt og let.
Holdet blev ledet af Vijay Ramani, Roma B. og Raymond H. Wittcoff Distinguished University Professor med WUSTL's Institut for Energi, Miljø og Kemiteknik (EECE). Han fik selskab af Pralay Gayen og Shrihari Sankarasubramanian, to forskere med Center for Solenergi og Energilagring (SER) hos WUSTL.
Jezero Crater på Mars, landingsstedet for NASAs Mars 2020 rover. Billedkredit: NASA/JPL-Caltech/ASU
Dette nye instrument er i overensstemmelse med NASAs forpligtelse til In-situ ressourceudnyttelse (ISRU) teknologier, som vil gøre det muligt for fremtidige missioner at være mindre afhængige af genforsyningsmissioner. Det er også i overensstemmelse med NASA og andre rumbureauers forpligtelse til at reducere omkostningerne ved at opsende nyttelast i rummet, da det er mere effektivt og kompakt end nuværende elektrolysesystemer.
Traditionelle elektrolysatorer er afhængige af elektricitet og brændselsceller lavet af en elektrolyt til at nedbryde kemiske forbindelser og rekombinere dem for at skabe nye. Det Perseverance rover (som vil ankomme til Mars den 18. februar 2021) bærer et eksperiment kendt som Mars Oxygen ISRU-eksperiment (MOXIE), som vil være afhængig af en fastoxidelektrolysecelle (SOEC) til at høste oxygengas fra atmosfærisk kuldioxid (CO)2).
Vandelektrolysatorer bruger en lignende proces til kemisk at adskille vand og producere oxygengas (O2) og brintgas (H2), hvoraf sidstnævnte kan bruges til at skabe flydende brint- eller hydrazinbrændstof (N2H4). Desværre kan disse instrumenter ikke arbejde med saltlage og er begrænset til renset, deioniseret vand. Den eneste anden mulighed er at fjerne saltet på forhånd, hvilket kræver tilsætning af en afsaltningsmaskine.
Ved at stole på en ny tilgang var WUSTL-teamet i stand til at skabe den første elektrolysator, der kan arbejde med saltholdige opløsninger, som er almindelige på Mars. Som Ramani sagde i et interview med WUSTL-publikationen, kilden :
'Vores nye saltvandselektrolysator indeholder en blyruthenat-pyrochloranode udviklet af vores team i forbindelse med en platin-på-kulstof-katode. Disse omhyggeligt designede komponenter kombineret med den optimale brug af traditionelle elektrokemiske ingeniørprincipper har givet denne høje ydeevne.'
Teknikere i renrummet installerer MOXIE-instrumentet i Perseverance-roveren. Kredit: NASA/JPL-Caltech
Mars saltlage er blevet bekræftet i de senere år af missioner som Pheonix Mars Lander , som tog prøver af Marsjord i 2008 og identificerede høje niveauer af salt efter smeltning af isen, den indeholdt. Tilsvarende ESA's Mars Express sonden opdagede flere underjordiske kilder til vand, der forbliver i flydende tilstand på grund af tilstedeværelsen af magnesiumperchlorat.
Af disse grunde kunne et system, der kan arbejde med saltvand (uden at det er afhængigt af et ekstra afsaltningsinstrument) betydeligt forbedre ISRU-operationer på Mars og andre destinationer. Som Sankarasubramanian forklaret , deres system er ikke kun velegnet til at håndtere Mars-vand, men det fungerer faktisk bedre med det:
»Paradoksalt nok hjælper det opløste perklorat i vandet, såkaldte urenheder, faktisk i et miljø som det på Mars. De forhindrer vandet i at fryse, og forbedrer også ydeevnen af elektrolysesystemet ved at sænke den elektriske modstand.'
Baseret på tidligere test fra teknikere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) viste MOXIE-elektrolysatoren, at den kunne producere op til 10 g/time iltgas (0,35 ounce) ved brug af 300 watt strøm. Til sammenligning var instrumentet Ramani og hans kolleger udviklede i stand til at producere op til 250 g/time (8,8 ounces, eller 1/2 et pund) iltgas ved at bruge den samme mængde strøm (for ikke at nævne brintgassen).
Kunstnerens indtryk af vand under Mars-overfladen. Kredit: ESA
Derudover fungerede systemet under simulerede marsforhold – meget lavt lufttryk og temperaturer så lave som -36 ?C (-33 ?F) – såvel som jordlignende forhold. 'Vores Mars saltlageelektrolysator ændrer radikalt den logistiske beregning af missioner til Mars og videre,' tilføjede Ramani. 'Denne teknologi er lige så nyttig på Jorden, hvor den åbner havene som en levedygtig ilt- og brændstofkilde.'
Pralay Gayen, en postdoktoral forskningsmedarbejder i Ramanis gruppe, tilføjede:
'Efter at have demonstreret disse elektrolysatorer under krævende Mars-forhold, agter vi også at anvende dem under meget mildere forhold på Jorden for at bruge brakvand eller saltvand til at producere brint og oxygen, for eksempel gennem havvandselektrolyse.'
På Jorden kunne havvandselektrolysatorer bruges ombord på undervandsfartøjer for at give mulighed for udvidede dybhavsmissioner. Det kunne også give mulighed for betydelig udvidelse i industrien for alternative brændstoffer, hvor elektrolysatorer kunne skabe brintbrændselsceller fra havvand (som er afhængig af brintgas og oxygengas til at generere elektricitet).
Undersøgelsen, der beskriver deres resultater (med titlen ' Brændstof- og ilthøst fra Mars regolitisk saltlage “) dukkede for nylig op iProceedings of the National Academy of Sciences(PNAS).
Yderligere læsning: Washington University i St. Louis , PNAS