Вчені розробили метод отримання кисню і водню з рідкого сольового розчину в умовах марсіанських озер за допомогою електролізу. Особливістю експерименту стало використання оксиду свинцю-рутенію як електрокаталізатора вироблення кисню. Вироблення кисню за допомогою такої установки виявилося в 25 разів енергоефективнішим, ніж у випадку MOXIE, запущеної до Червоної планети в рамках місії «Марс-2020», а розмір і вага пристрою для життєзабезпечення на основі описаної технології буде меншими, ніж у аналогів. Стаття опублікована в журналі.
Умови на Марсі далекі від сприятливих для людини: атмосфера розріжена і на 95 відсотків складається з вуглекислого газу, а перепади температур перевищують 100 градусів Цельсія при середній температурі мінус 63 градуси. Тому колонізація Червоної планети неможлива без створення системи життєзабезпечення, яка б в таких суворих умовах змогла б забезпечити людей киснем для дихання і паливом (наприклад, воднем) для енергозабезпечення і, в ідеалі, зворотного польоту. Для вирішення першого завдання в NASA створили MOXIE (Mars Oxygen ISRU Experiment) - експериментальну установку для отримання кисню з атмосферного вуглекислого газу шляхом електролізу. Для перевірки ефективності такого методу в польових умовах установка стала частиною марсохода «Персеверанс» (Perseverance), запуск якого здійснили 30 липня 2020 року в рамках місії «Марс-2020».
Альтернативним джерелом не тільки кисню, але і водню на Марсі може стати вода, перші прямі докази існування якої на Червоній планеті були отримані ще в 1971 році. Особливо привабливими для використання в прикладних цілях, однак, були б запаси солоної води, домішки в якій дозволили б їй залишатися в рідкому стані навіть при низьких температурі і тиску. Перші сліди такого розсолу (рідкого соляного розчину) з перхлоратом магнію в якості основного компонента виявили на Марсі в 2015 році, а в 2018 році під полярним льодом планети знайшли водойму діаметром близько 20 кілометрів, якою міг утворитися через вулканічну активність. Пізніше планетологи підтвердили, що такі озера на Марсі правда існують і можуть бути численними.
Тепер же Пралай Гайєн (Pralay Gayen) з Університету Вашингтона в Сент-Луїсі разом з колегами створив установку з отримання кисню і водню з соляного розчину, близького за складом і температурою до такого в марсіанських озерах. Як розсолу в експерименті використовувався розчин перхлората магнію у воді з концентрацією 2,8 моль на літр, охолоджений до мінус 36 градусів Цельсія і продувається вуглекислим газом (останній грав роль марсіанської атмосфери). Як електрокаталізатор вироблення кисню вчені використовували оксид свинцю-рутенію Pb2Ru2O7-δ, ефективність якого вони раніше показали для лужних розчинів. У ролі електрокаталізатора вироблення водню виступала платина на активованому вугіллі - стандартний у цьому випадку каталізатор, а в якості сепаратора використовувалася комерційно випускова аніонообмінна мембрана.
Під час дослідження вчені показали, що оксид свинцю-рутенію як електрокаталізатор дійсно в рази ефективніше зазвичай використовуваного в подібних установках оксиду рутенію. Після поведінку створеної установки вивчили в широкому діапазоні температур від − 36 до 21 градуса Цельсія і не побачили радикальних коливань в ефективності і темпі вироблення. Вихід за струмом експериментальної установки склав 70 відсотків, а енергоефективність виявилася в проміжку між 36 і 70 відсотками (залежно від напруги, що подається на пластини). Крім того, установка виявилася стійкою до деградації каталізатора: вченим не вдалося знайти сліди рутенію в розчині після 300-хвилинної роботи пристрою.
Також дослідники порівняли досягнуті темпи вироблення кисню з показниками MOXIE в 10-22 грам на годину: виявилося, що при тій же подачі енергії створена установка виробляє в 25 разів більше кисню, ніж експеримент на марсоході «Персеверанс». Щоб мати ті ж темпи вироблення кисню, що і у MOXIE, пристрій повинен був би володіти електродами з площею 28-62 квадратних сантиметри, а для забезпечення життєдіяльності сплячого і активно рухається людини цей параметр повинен був би скласти 375 і 1235 квадратних сантиметри відповідно. При цьому маса і обсяг установки буде менше, ніж якщо використовувати технологію, закладену в MOXIE. Більш того, розроблений спосіб отримання кисню не вимагає його подальшого очищення, в той час як в ході електролізу в MOXIE виробляється і монооксид вуглецю, який необхідно відфільтровувати.
Раніше ми розповідали про ще один метод отримання кисню з вуглекислого газу в марсіанській атмосфері (як MOXIE): вчені запропонували робити це за допомогою низькотемпceної плазми. А про те, яка роль марсохода «Персеверанс» крім перевірки методу вироблення кисню, можна почитати в нашому матеріалі «Марс, туди і назад».