Новый метод производства кислорода на Марсе, основанный на использовании газов местной атмосферы и холодной плазмы, был разработан международной группой ученых. Данная технология может стать ключевым элементом в создании систем жизнеобеспечения для людей, поскольку она позволяет получать значительное количество кислорода, необходимого для дыхания, производства ракетного топлива, удобрений и строительных материалов, при этом требуя минимального веса оборудования.
Программы космических полетов, направленные на научные исследования и потенциальную колонизацию Луны и Марса, непрерывно развиваются и ставят все более масштабные цели. Значимой вехой является миссия NASA Artemis III, предполагающая высадку людей на поверхность Луны в 2024 году – первое подобное событие за последние полвека. В числе перспективных задач этой миссии – создание постоянного присутствия человека на Луне (или на ее орбите) и применение полученного опыта и знаний для осуществления полета к Марсу.
Использование местных ресурсов (включая сбор и переработку материалов, обнаруженных, например, на Марсе, и их применение для поддержания жизни человека) играет ключевую роль в реализации планов освоения космоса. Гораздо проще, экономичнее и безопаснее для будущих поселений будет создавать технологию получения кислорода из атмосферы или грунта Красной планеты, чем доставлять его с Земли. Следует отметить, что кислород необходим не только для дыхания космонавтов, но и, к примеру, как компонент ракетного топлива.
Новый метод производства кислорода в условиях Марса предложила международная команда ученых из Португалии, Франции, США и Нидерландов. Технология предполагает создание нетепловой (холодной) плазмы и применение проводящих мембран для разделения газовой смеси. В статье представлено детальное описание разработки и результаты испытаний первых прототипов, опубликованной в журнале Journal of Applied Physics.
Холодная плазма — высокореактивная газовая среда, формируемая и поддерживаемая электрическими разрядами, характеризуется сосуществованием свободных электронов с высокой энергией и неионизованных молекул газа с относительно низкой температурой. В отличие от обычной плазмы, формирующей, например, звезды, в ней отсутствуют положительно и отрицательно заряженные ионы. Данный тип плазмы, известный как холодная или нетепловая, создается при температурах, близких к комнатной, в отличие от нескольких тысяч градусов, типичных для обычной (тепловой или горячей) плазмы.
Авторы новой работы предлагают использовать свободные электроны холодной плазмы для получения кислорода непосредственно из углекислого газа, который составляет более 95 процентов атмосферы Марса, без предварительного нагрева. Полученный кислород планируется извлекать из газовой смеси с помощью специальных проводящих мембран и использовать для обеспечения дыхания, производства ракетного топлива, удобрений и строительных материалов.
Разработанная плазменная технология обладает рядом преимуществ: она компактна, позволяет масштабировать производство, отличается надежностью и универсальностью, а также не требует применения дорогостоящих материалов. Кроме того, в отличие от альтернативных способов получения кислорода, она хорошо подходит для питания от источников энергии с переменной мощностью, таких как солнечные батареи, и способна функционировать в условиях марсианского пониженного давления, что обеспечивает оптимальные условия для поддержания плазмы. Это существенное отличие от технологии твердооксидного электролиза, используемой в приборе MOXIE, установленном на марсоходе Perseverance и уже находящемся в стадии испытаний.
Для оценки эффективности технологии были проведены два экспериментальных цикла: в Лаборатории физики плазмы Политехнической школы (Франция) и в Голландском институте фундаментальных энергетических исследований (Нидерланды).
Первоначально производилась оценка работы экспериментальной установки в условиях пониженных температур, имитирующих среднюю температуру на поверхности Марса (минус 60 градусов Цельсия). В дальнейшем тестирование проводилось при пониженном марсианском давлении, которое было примерно в 100 раз меньше земного).
Исследования продемонстрировали, что прототип в обоих случаях способен конвертировать до трети углекислого газа в кислород, что является весьма обнадеживающим результатом. Авторы работы полагают, что это лишь начальный этап развития технологии. Усовершенствование моделей, описывающих холодную плазму и проводящие мембраны, а также оптимизация конструкции и принципа действия прототипа, позволят достичь еще более значительных результатов.