Учёные Университета Вашингтона в Сент-Луисе, штат Миссури, разработали новый способ получения кислорода и водорода в условиях марсианских подземных озёр. Для этого используют оксид свинца-рутения в качестве электрокатализатора. Новый метод оказался в 25 раз эффективнее, чем в случае MOXIE, запущенной в рамках миссии «Марс-2020», утверждают учёные в статье, опубликованной в журнале PNAS.
Экспериментальную установку MOXIE создали в НАСА для решения задачи жизнеобеспечения человека на Марсе она получает кислород из углекислой атмосферы планеты путём электролиза. В идеале такая установка должна обеспечивать людей кислородом для дыхания и топливом для энергообеспечения. Её отправили с марсоходом «Персеверанс» (Perserverance) 30 июля 2020 года.
Исследователи из Университета Вашингтона разработали новую установку для получения кислорода и водорода из соляного раствора, который близок по составу и температуре раствора из марсианских озёр. В его качестве использовали раствор перхлората магния с концентрацией 2,8 моль на литр, который был охлаждён до −36 °C и продувался углекислым газом — последний играл роль атмосферы планеты. Электрокатализатором реакции получения кислорода выступал оксид свинца-рутения Pb2Ru2O7-δ, а для получения водорода использовалась платина на активированном угле, которая считается стандартным катализатором для этой реакции. В качестве сепаратора между катодом и анодом использовалась анионообменная мембрана.
Учёные проанализировали работу установки при температурах раствора от −36 до −21 °C обнаружили, что оксид свинца-рутения гораздо энергоэффективнее, чем использующийся обычно оксид рутения. При этом достигнутые темпы выработки в зависимости от температуры раствора оказались 10-22 грамма кислорода в час, что в 25 раз больше, чем у MOXIE.
Выход по току — отношение теоретически необходимого заряда для осуществления реакции окисления или восстановления к фактически пропущенному в установке — в данном случае составил 70%. Таким образом, для работы установки необходимо всего 12 Вт энергии, рассчитали учёные, в то время как для MOXIE — 300 Вт. Это позволит сделать установку меньше и легче: для работы с теми же темпами, что у MOXIE, установка должна обладать электродами с площадью от 28 до 62 квадратных сантиметров (у устройства миссии «Марс-2020» — 571 квадратный сантиметр) . В то же время для обеспечения жизнедеятельности человека на Марсе площадь установки должна составлять от 375 до 1235 квадратных сантиметров. Это достаточно большой разброс: он обусловлен тем, что в той или иной точке Марса температура подземных вод и их состав могут различаться. Однако в любом случае масса и размеры устройства будут меньше, чем при использовании технологии, заложенной в MOXIE.
Кроме того, учёные не обнаружили следов рутения в растворе после 300-минутной работы устройства — по словам исследователей, это говорит о том, что установка оказалась устойчива к деградации катализатора. К тому же кислород на выходе не требует дополнительной очистки, в отличие от MOXIE — там в ходе электролиза вырабатывается угарный газ, который нужно отфильтровывать.
Новый метод получения кислорода будет ещё долго тестироваться, отмечают учёные: ещё предстоит узнать, насколько он надёжен и снижается ли его эффективность со временем. Учёные признают, что мембрана, выступавшая сепаратором катода и анода, была защищена от воздействия углекислого газа, что может оказаться маловероятным в полевых условиях на Марсе. А учитывая условия на планете, ошибок и неисправностей в работе установки быть не должно. На данный момент разработчики установки ведут активное сотрудничество с НАСА, которое хочет отправить людей к Марсу к 2033 году.
