Фотоэлектрохимические ячейки могут быть использованы для производства кислорода и топлива для будущих внеземных поселений, по мнению международной группы ученых.
Долгосрочные космические миссии сталкиваются с теми же трудностями, что и развитие экологически чистой энергетики на Земле: для них необходимы надежные, стабильные и эффективные решения для преобразования и хранения солнечной энергии. На Международной космической станции около трети энергии, получаемой от солнечных панелей, расходуется на производство кислорода, а существующие системы устарели и часто выходят из строя. В случае, если человечество намерено приступить к освоению Солнечной системы, понадобятся более компактные и надежные устройства для поддержания жизни будущих поселенцев.
Один из рассматриваемых вариантов — фотоэлектрохимические ячейки, обладают рядом уникальных свойств, позволяющих эффективно преобразовывать световую энергию в электричество и топливо. Причем в условиях невесомости они могут быть не менее эффективны, чем на Земле. Компактная монолитная конструкция и относительно простое устройство позволят не только легко перевозить ячейки с помощью космических кораблей, но и производить их в колониях.
Для оценки эффективности фотоэлектрохимических устройств в условиях Луны и Марса международная группа исследователей из Германии, Швейцарии и Великобритании провела ряд расчетов. В ходе работы ученые детализировали спектр солнечного излучения на Марсе, определили максимальную эффективность устройств для электролиза воды и фиксации углекислого газа, использующих солнечную энергию, и оценили возможность практического применения фотоэлектрохимических технологий в космических условиях.
Согласно результатам работы, опубликованной в журнале Nature Communications, в сочетании с солнечными концентраторами и самоочищающимися панелями, препятствующими их загрязнению пылью, фотоэлектрохимические ячейки смогут обеспечить марсианскую колонию топливом. Для этого они будут использовать водород, полученный при разложении воды (из марсианского льда) электролизом и углекислый газ из атмосферы Красной планеты. Затем оба этих компонента по реакции Сабатье позволят синтезировать метан. А вот для работы в условиях лунной колонии даже концентраторы не потребуются, и вода из лунного льда станет источником кислорода для живущих на спутнике Земли людей.
В дальнейшем планируется усовершенствовать солнечные концентраторы с целью повышения их выходной мощности или улучшить характеристики фотоэлектрохимических ячеек для обеспечения их стабильной работы при слабом токе. Эти разработки могут найти применение не только в космической отрасли, но и на Земле, например, для энергоснабжения удаленных населенных пунктов, таких как полярные станции.
Необходимо учитывать, что производство кислорода и метана с использованием фотоэлектрохимических ячеек имеет определенные недостатки. Прежде всего, в ночное время эти ячейки не функционируют, что приводит к необходимости удваивать массу как самих ячеек, так и систем синтеза метана по сравнению с использованием ядерного реактора в качестве источника энергии для химических реакций.
Фотоэлектрохимические ячейки на Марсе целесообразно использовать даже в дневное время суток только в низких широтах. В умеренных широтах зимой они будут генерировать в несколько раз меньше энергии по сравнению с летним периодом, что существенно снизит среднегодовую эффективность систем, производящих кислород и метан.