Wytwarzanie tlenu do oddychania w dalekich misjach kosmicznych.

[Slavin]

Naukowcy z Caltech: zmieniamy dwutlenek węgla w tlen


Na zdjęciu: Konstantinos Giapis, główny autor omawianej pracy, prezentuje reaktor, który przekształca dwutlenek węgla w tlen cząsteczkowy. Źródło: Caltech

Tlen jest pierwiastkiem dość powszechnym w Kosmosie, ale rzadko już występuje tam w formie, którą my, ludzie, musimy oddychać - tlen molekularny (O2). Z drugiej strony wciąż zagraża nam rosnący nadmiar szkodliwego dwutlenku węgla w ziemskiej atmosferze. Naukowcy z Caltech donoszą o stworzeniu specjalnego reaktora zamieniającego dwutlenek węgla w tlen molekularny. Jeśli wyniki te się potwierdzą, być może dostaniemy narzędzie nie tylko mogące nam pomóc w walce ze zmianami klimatu Ziemi, ale i w wytwarzaniu tlenu niezbędnego do przeżycia w przestrzeni kosmicznej.

Tlen, a w zasadzie jego brak, to dziś jedna z największych przeszkód w eksploracji Kosmosu. Ziemia jest jedynym miejscem, o którym wiemy na pewno, że zawiera ten gaz w wystarczających na nasze potrzeby ilościach. Co więcej, zabieranie go ze sobą w Kosmos jest równie kosztowne co niebezpieczne. Na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej załoga może wprawdzie oddychać bez problemu dzięki elektrolizie wody - zjawisku, w którym woda jest dzielona na swe pierwiastki składowe - ale im dalej od Ziemi, tym trudniej jest to przeprowadzać w praktyce.

Mówi się też wiele o możliwej terraformacji Marsa, czyli o uczynieniu tej planety bardziej podobną do Ziemi. Jest to jednak ogromne przedsięwzięcie, które nie będzie raczej wykonywalne zdalnie, o ile w ogóle okaże się możliwe do realizacji. A i na Marsie będziemy ostatecznie musieli stawić czoła problemowi z brakiem tlenu do oddychania.

Naukowcy z Caltech szukają więc całkiem nowych sposobów wytwarzania tlenu. W rezultacie stworzyli jak na razie reaktor, który w pewnym sensie działa bardzo prosto - pobiera dwutlenek węgla CO2, a następnie usuwa z niego… węgiel. Zostaje więc tlen molekularny. Zespół odkrył, że jeśli będziemy bombardować dwutlenkiem węgla jakąś obojętną chemicznie powierzchnię, na przykład cienką folię ze złota, molekuła CO2 może zostać podzielona, tworząc cząsteczkowy tlen i węgiel atomowy.

Co ciekawsze, zdaniem naukowców reaktor ten działa podobnie jak akcelerator cząstek. Cząsteczki CO2 są najpierw jonizowane, a następnie przyspieszane za pomocą pola elektrycznego, po czym zderza się je ze złotą powierzchnią. W swej obecnej postaci wydajność urządzenia jest niestety dość niska - powstaje w ten sposób tylko około jednej do dwóch cząsteczek tlenu na każde 100 przyspieszonych cząsteczek CO2 - ale są szanse na rozwinięcie tej koncepcji w kierunku reaktora o znacznie większej wydajności.

Opisywane zjawisko zachodzi też zresztą w naturze. Omawiane badania są wynikiem wcześniejszej  próby wyjaśnienia nieoczekiwanego odkrycia molekularnego tlenu pokrywającego… kometę. Po tym, jak sonda Rosetta wykryła gaz wypływający z komety 67P, długo wierzono, że jest to obecny tam tlen, związany w skalistym materiale przed miliardami lat. Jednak w roku 2017 zespół z Caltech zaproponował inne możliwe rozwiązanie tego problemu: tlen kometarny powstaje, gdy określone związki chemiczne uderzają w kometę z dużymi prędkościami. Po wyemitowaniu cząsteczek wody lub dwutlenku węgla przez kometę ciśnienie wiatru słonecznego może je następnie przyspieszyć i zrzucić z powrotem na tę kometę, co z kolei prowadzi do pojawienia się tam tlenu w postaci cząsteczkowej.

W przyszłości reaktor “tlenowy” może zostać wykorzystany do produkcji tlenu dla astronautów podróżujących na Księżyc, Marsa lub jeszcze dalej. Ale jeszcze ważniejsze może być jego zastosowanie na Ziemi - urządzenie takie może nam się przydać do usuwania CO2 z atmosfery i przekształcania go w tlen, co ma w zamierzeniu pomóc nam w walce z niekorzystnymi zmianami klimatu. Oczywiście nie jest to pewne i pozostaje jeszcze wiele do zrobienia w tej dziedzinie - ale sama możliwość wygląda zdaniem naukowców obiecująco.

https://newatlas.com/caltech-reactor-convert-co2-oxygen/59869/?fbclid=IwAR3yMKKAJUD6RvVzrAXyJeq69tucPHHOAdY8h7g8_m8TTNMSxA6EhF5wD6Q

https://www.urania.edu.pl/wiadomosci/naukowcy-z-caltech-zmieniamy-dwutlenek-wegla-w-tlen

https://www.nature.com/articles/s41467-019-10342-6

[mars76]

Ciekawy pomysł,  choć długo jeszcze upłynie czasu do pełnego działania

[Slavin]

Krok bliżej do kolonizacji Księżyca.

Aby człowiek mógł przetrwać, potrzebuje tlenu. Chcąc lecieć na Księżyc czy jeszcze dalej, należy mieć na uwadze fakt, aby wziąć go w odpowiedniej ilości – dla całej załogi na cały czas trwania misji. Prawdopodobnie niezbędna ilość będzie tak duża, że problemem stanie się samo wzięcie jej ze sobą. Konieczność zabrania dużej ilości tlenu przełoży się na ogromne zapotrzebowanie na paliwo, co z kolei wiąże się z kosztami. Rozwiązaniem tego problemu byłaby możliwość produkcji tego podtrzymującego nasze życie gazu w trakcie misji. Wytwarzanie tlenu na Księżycu wydaje się trudnym wyzwaniem, ale nie awykonalnym…



Astronauta Edwin Aldrin, Apollo 11.

Księżycowa gleba rozwiązaniem

Księżyc, na nasze nieszczęście, nie ma atmosfery bogatej w tlen. Stanowi to spory problem dotyczący przyszłej kolonizacji tego ciała niebieskiego. Jednakże naukowcy NASA Johnson Space Center (JSC) wychodzą naprzeciw temu wyzwaniu. Zespół badaczy z powodzeniem wytworzył tlen przy użyciu symulowanej gleby księżycowej w próżni.

Podczas projektu symulowaną glebę księżycową poddano działaniu bardzo wysokiej temperatury w specjalnym reaktorze. Gleba ta została podgrzana do takiego stopnia, że uległa stopieniu. Zespół wykrył, że ze stopionej gleby uwalnia się tlenek węgla (IV). Dzięki reakcji rozpadu tego tlenku naukowcy są w stanie otrzymać tlen nadający się do oddychania.

Technologia wykorzystana do tego doświadczenia z pozytywnymi wynikami, według badaczy, ma ogromny potencjał, który można wykorzystać podczas planowanej stałej kolonizacji naszego naturalnego satelity.



Ilustracja astronautów NASA na księżycowym biegunie południowym.

Kilka słów o samej technologii

Testy zostały przeprowadzone z wykorzystaniem Dirty Thermal Vacuum Chamber JSC w celu symulacji ,,brudnych” warunków księżycowych, czyli takich, na jakie narażone jest każde ciało znajdujące się na powierzchni Księżyca – w szczególności wszechobecnego pyłu. W komorze próżniowej zastosowano laser o dużej mocy do symulacji skoncentrowanego światła słonecznego w celu stopienia symulowanego regolitu lub sproszkowanego pyłu księżycowego z wykorzystaniem procesów chemicznych (redukcja karbotermiczna). Wykorzystując spektrometr masowy obserwujący operacje księżycowe (MSolo) podczas procesu topienia, zespół był w stanie wykryć tlenek węgla emitowany z regolitu poddanego obróbce laserowej.



Laser o dużej mocy i reaktor karbotermiczny umieszczony w komorze testowej Carbothermal Reduction Demonstration (CaRD) NASA w NASA Johnson Space Center.

Naukowcy odnosząc ten sukces udowodnili, że technologia jest gotowa do użycia w kosmosie. Wszystko jest również na dobrej drodze, aby została ona wykorzystana podczas misji NASA Artemis. Jest to spory sukces, który z pewnością spowoduje zwiększenie wydajności przyszłych misji kosmicznych.

Korekta – Matylda Kołomyjec

https://www.space.com/nasa-moon-dust-harvest-oxygen-artemis-program

[Slavin]

MOXIE zakończył produkcję tlenu na Marsie. Pełen sukces małego sześcianu.



Zanim człowiek faktycznie wybierze się w pierwszą załogową podróż na Marsa, musi jeszcze opracować wiele technologii, które pozwolą mu bezpiecznie przetrwać lot oraz pobyt na powierzchni Czerwonej Planety. Jedną z takich technologii jest ta, która zapewni załodze misji odpowiednią ilość tlenu do oddychania podczas wielotygodniowej, a nawet wielomiesięcznej misji w atmosferze, w której dominuje dwutlenek węgla. Na Marsie właśnie zakończył się eksperyment, który ma nam pomóc w opracowaniu takiej technologii.

MOXIE, niewielkie urządzenie wielkości mikrofalówki dostarczone na Marsa na pokładzie łazika Perseverance zakończyło właśnie swoją misję, w ramach której miało dowieść, że istnieje sposób wydobywania czystego tlenu z atmosfery Marsa. Na przestrzeni dwóch lat MOXIE był uruchamiany 16 razy i za każdym razem z powodzeniem produkował tlen z atmosfery. Oczywiście, jest to jedynie demonstrator technologii, który produkuje niewielkie ilości tego tlenu. Zanim człowiek poleci na Marsa, musi wymyślić, w jaki sposób stworzyć odpowiednio większą wersję urządzenia, która będzie w stanie wydobywać tlen z atmosfery marsjańskiej szybciej, niż astronauci będą w stanie go zużywać.

W trakcie dwóch lat urządzenie wyprodukowało 122 gramy tlenu, czyli tyle ile zużywa mały pies w ciągu 10 godzin. Warto tutaj jednak zauważyć, że w trakcie najbardziej intensywnej pracy urządzenie produkowało 12 gramów na godzinę, czyli w sumie dwa razy więcej niż NASA pierwotnie zakładała. Co więcej, na przestrzeni całej swojej misji MOXIE produkował tlen o każdej porze roku marsjańskiego, zarówno w dzień, jak i w nocy. Dzięki temu inżynierowie mogli poznać ograniczenia tej technologii.

Naukowcy wskazują, że odpowiednio większa wersja MOXIE dostarczona na Marsa mogłaby zacząć produkować tlen na długo, zanim pojawi się tam człowiek. Dzięki zebranym w ten sposób zapasom astronauci nie musieliby zabierać ze sobą tlenu na Marsa z Ziemi, co znacząco ułatwiłoby realizację i tak już niewiarygodnie trudnej misji załogowej.

I na tym właśnie teraz będą skupiać się naukowcy z NASA, tj. na zbudowaniu MOXIE 2.0 – pełnowymiarowego generatora tlenu oraz urządzeń pozwalających na jego skraplanie i przechowywanie w formie ciekłej.