FoodPro Preloader

Metode for å lage oksygen fra vann i null tyngdekraft øker håp for langdistanse plassreise


Kunstnerens gjengivelse av et Mars-kunstig tyngdekraftsoverføringsbil. Følgende essay skrives ut med tillatelse fra The Conversation, en nettpublikasjon som dekker den nyeste forskningen. Romsagenturer og private selskaper har allerede avanserte planer om å sende mennesker til Mars de neste årene, og samtidig kolonisere det. Og

Kunstnerens gjengivelse av et Mars-kunstig tyngdekraftsoverføringsbil.

Følgende essay skrives ut med tillatelse fra The Conversation, en nettpublikasjon som dekker den nyeste forskningen.

Romsagenturer og private selskaper har allerede avanserte planer om å sende mennesker til Mars de neste årene, og samtidig kolonisere det. Og med et økende antall funn av jordlignende planeter rundt nærliggende stjerner, har langdistanse-romreiser aldri virket mer spennende.

Imidlertid er det ikke lett for mennesker å overleve i rommet for vedvarende tidsperioder. En av hovedutfordringene med langdistanseflyvning er å transportere nok oksygen til astronautene til å puste og nok drivstoff til kraftkomplekselektronikk. Dessverre er det bare lite oksygen tilgjengelig i rommet, og de store avstandene gjør det vanskelig å gjøre raske påfyll.

Men nå viser en ny studie, publisert i Nature Communications, at det er mulig å produsere hydrogen (for drivstoff) og oksygen (for livet) fra vann alene ved hjelp av halvledermaterialer og sollys (eller stjernelys) i null tyngdekraften reise en reell mulighet.

Å bruke den ubundne ressursen til solen til makten er hverdagen en av de største utfordringene på jorden. Da vi sakte beveger oss fra olje mot fornybare energikilder, er forskerne interessert i muligheten for å bruke hydrogen som drivstoff. Den beste måten å gjøre dette på er å splitte vann (H2O) i dens bestanddeler: hydrogen og oksygen. Dette er mulig ved å bruke en prosess kjent som elektrolyse, som innebærer å drive en strøm gjennom en vannprøve som inneholder noen oppløselig elektrolytt. Dette bryter ned vannet til oksygen og hydrogen, som frigjøres separat ved de to elektrodene.

Selv om denne metoden er teknisk mulig, har den ennå ikke blitt tilgjengelig på Jorden, da vi trenger mer hydrogenrelatert infrastruktur, for eksempel hydrogenpåfyllingsstasjoner, for å skalere den opp.

Solkraft

Hydrogen og oksygen produsert på denne måten fra vann kan også brukes som drivstoff på et romfartøy. Å starte en rakett med vann ville faktisk være mye tryggere enn å starte den med ekstra rakettbrensel og oksygen ombord, noe som kan være eksplosivt. En gang i rommet kunne spesiell teknologi dele vannet i hydrogen og oksygen som igjen kunne brukes til å opprettholde liv eller til kraftelektronikk via brenselceller.

Det er to alternativer for å gjøre dette. En involverer elektrolyse som vi gjør på jorden, ved hjelp av elektrolytter og solceller for å fange sollys og konvertere dette til en strøm.

Alternativet er å bruke "fotokatalysatorer", som virker ved å absorbere lyse partikler-fotoner-inn i et halvledermateriale satt inn i vannet. En fotons energi blir absorbert av en elektron i materialet som deretter hopper, etterlater et hull. Den frie elektronen kan reagere med protoner (som utgjør atomkjernen sammen med nøytroner) i vann for å danne hydrogen. I mellomtiden kan hullet absorbere elektroner fra vann for å danne protoner og oksygen.

Prosessen kan også reverseres. Hydrogen og oksygen kan bringes sammen eller "rekombineres" ved hjelp av en brenselcelle som returnerer solenergi som tas inn av "fotokatalysen" -energi som kan brukes til kraftelektronikk. Rekombinasjon danner kun vann som et produkt, noe som betyr at vannet også kan resirkuleres. Dette er nøkkelen til langdistanse-romreise.

Prosessen med fotokatalysatorer er det beste alternativet for romreiser, ettersom utstyret veier mye mindre enn det som trengs for elektrolyse. I teorien skal det fungere lett. Dette er delvis fordi intensiteten av sollyset er langt høyere uten at atmosfæren i atmosfæren absorberer store mengder på vei til overflaten.

Boblebehandling

I den nye studien dro forskerne den fulle eksperimentelle oppsettet for fotokatalyse nedover et 120m droptårn, noe som skaper et miljø som ligner på mikrogravity. Når gjenstander akselererer mot jorden i fri høst, reduseres tyngdekraften som krefter som utøves av tyngdekraften, av samme og motsatte krefter på grunn av akselerasjonen. Dette er motsatt G-styrker opplevd av astronauter og fighter piloter som de akselererer i sine fly.

Forskerne klarte å vise at det faktisk er mulig å dele vann i dette miljøet. Men som vann er delt for å skape gass, dannes bobler. Å bli kvitt bobler fra katalysatormaterialet som en gang er dannet, er viktig - bobler hindrer prosessen med å skape gass. På jorda gjør tyngdekraften boblene automatisk flytende til overflaten (vannet nær overflaten er tykkere enn boblene, noe som gjør dem kjøpsomme), og frigjør plass på katalysatoren for neste boble som skal produseres.

I null tyngdekraft er dette ikke mulig, og boblen vil forbli på eller i nærheten av katalysatoren. Forskerne justerte imidlertid formen på nanoskalaegenskaper i katalysatoren ved å lage pyramideformede soner hvor boblen lett kunne løsne seg fra spissen og flyte ut i mediet.

Men ett problem gjenstår. I fravær av tyngdekraften forblir boblene i væsken - selv om de har blitt tvunget bort fra selve katalysatoren. Gravity gjør at gassene lett kan rømme fra væsken, noe som er kritisk for bruk av rent hydrogen og oksygen. Uten tyngdekraften er det ingen gassbobler som flyter til overflaten og skiller seg fra blandingen. I stedet forblir all gass for å skape et skum.

Dette reduserer effektiviteten av prosessen dramatisk ved å blokkere katalysatorene eller elektrodene. Ingeniørløsninger rundt dette problemet vil være nøkkelen til vellykket implementering av teknologi i rommet - med en mulighet å bruke sentrifugalkrefter fra rotasjon av et romfartøy for å skille gassene fra løsningen.

Likevel, takket være denne nye studien, er vi et skritt nærmere langvarig menneskelig romfart.

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation. Les den opprinnelige artikkelen.

Vitenskap og USAs Høyesterett: Saker å se i 2017Bedre foreldreferdigheter kan ødelegge fattigdomssyklusforbindelsenIsland Lizards er tamer enn fastlandet counterpartsCalifornia bilistene blir skummel leksjon om farer ved viltbrannDen første menneskelige klonede embryoenKunst og vitenskap for å lage filmer går til utendørs, 1917Kina gjør sin bevegelse til månen [utdrag]Intervju med Barry Commoner