Нова система виробництва кисню для космічних місій на Марс

Дослідники з Технологічного інституту Джорджії представили революційну технологію виробництва кисню для космічних місій, яка може кардинально змінити підходи до життєзабезпечення астронавтів під час тривалих польотів, зокрема експедицій на Марс. Нова система отримала назву Магнітогідродинамічна збірка генерації кисню або MOGA.

Традиційні системи життєзабезпечення космічних апаратів стикаються з серйозними викликами в умовах мікрогравітації через майже повну відсутність плавучості. Це суттєво ускладнює електролітичне виробництво кисню та водню з води, змушуючи інженерів використовувати складні технології управління багатофазними потоками. Попри це, розщеплення води відіграє ключову роль у пілотованих космічних польотах, замикаючи регенеративний цикл контролю навколишнього середовища та систем життєзабезпечення, а також з'єднуючи підсистеми управління водою та атмосферою.

Існуючі системи генерації кисню, хоча й успішно функціонують під час короткотермінових пілотованих місій, не мають достатньої надійності та ефективності для тривалих космічних польотів, особливо для дослідження Марса. Саме тому науковці шукають альтернативні рішення, які б забезпечили стабільну роботу систем життєзабезпечення протягом місяців або навіть років.

Під час першої фази дослідження в рамках програми NIAC вчені продемонстрували базову можливість нової архітектури розщеплення води, яка використовує безконтактні магнітогідродинамічні сили для виробництва та розділення бульбашок кисню та водню в умовах мікрогравітації. Система MOGA уникає використання примусових циркуляційних контурів води або рухомих частин, таких як насоси чи центрифуги для фазового розділення.

Ця фундаментальна зміна парадигми призводить до численних операційних переваг порівняно з сучасними технологіями. Система демонструє підвищену стійкість до перенапруги та недостатньої напруги в стеку елементів, мінімальний ризик витікання електроліту, ширші діапазони робочих температур та вологості, простішу перехідну роботу, підвищену довговічність матеріалів, покращену стабільність системи під час періодів бездіяльності, скромні вимоги до чистоти води, зменшений мікробний ріст та кращу можливість заміни компонентів на рівні окремих елементів.

Усі ці архітектурні особливості призводять до зменшення маси на тридцять два і дев'ять десятих відсотка та економії часу на технічне обслуговування астронавтами на двадцять і чотири десятих відсотка порівняно зі збіркою генерації кисню на Міжнародній космічній станції для чотиричленного екіпажу під час перельоту на Марс. Це робить систему ідеально придатною для тривалих місій.

Магнітогідродинамічний принцип роботи системи базується на взаємодії електричного струму з магнітним полем у провідному середовищі. У випадку MOGA електроліт, який містить іони, виступає як провідне середовище. Коли через електроліт проходить електричний струм у присутності магнітного поля, виникає сила Лоренца, яка може переміщувати рідину без використання механічних компонентів.

Ця технологія особливо важлива для космічних застосувань, оскільки традиційні методи розділення газів та рідин, які покладаються на гравітацію, не працюють в умовах мікрогравітації. Магнітогідродинамічні сили можуть ефективно замінити гравітаційні ефекти, забезпечуючи надійне розділення фаз навіть у космосі.

Під час другої фази дослідження науковці планують відповісти на ключові невирішені питання, що стосуються цієї архітектури. Зокрема, вони досліджуватимуть довготермінову електрохімічну поведінку та багатофазну течію системи в мікрогравітації та їх вплив на споживання енергії та стабільність рідинного інтерфейсу. Також планується вивчення перехідних операційних режимів магнітогідродинамічного приводу під час запуску, вимкнення та періодів бездіяльності.

Крім того, дослідники працюватимуть над архітектурними покращеннями для підвищення технологічності виробництва та простоти ремонту. Для досягнення цих цілей команда планує використати свій комбінований досвід у дослідженнях мікрогравітації, співпрацюючи з Інститутом ZARM у Бремені та Німецьким аерокосмічним центром.

Партнери планують безкоштовно для NASA провести випробування великомасштабної магнітогідродинамічної приводної системи та продемонструвати критичні процеси та компоненти. Зовнішня наглядова рада, що складається з експертів галузі, оцінюватиме розвиток проекту та інформуватиме про комерційне впровадження.

Ці зусилля призведуть до створення системи четвертого рівня технологічної готовності, яка також принесе користь додатковим технологіям, що становлять інтерес для NASA та широкої громадськості. Серед таких технологій водна рушійна система для малих супутників та використання ресурсів на місці.

Розробка системи MOGA відкриває нові можливості для тривалих космічних місій. Зменшення маси та вимог до технічного обслуговування особливо важливе для місій на Марс, де кожен кілограм корисного навантаження коштує мільйони доларів, а можливості для ремонту та заміни обладнання вкрай обмежені.

Крім того, підвищена надійність системи може значно знизити ризики для екіпажу під час тривалих місій. Традиційні системи життєзабезпечення вимагають постійного моніторингу та регулярного технічного обслуговування, що відволікає астронавтів від наукових досліджень та інших критично важливих завдань.

Технологія також має потенціал для застосування поза межами космічних місій. Магнітогідродинамічні системи можуть знайти використання в земних застосуваннях, де потрібне надійне та ефективне виробництво водню та кисню без рухомих частин. Це може включати підводні дослідницькі станції, віддалені наукові бази або промислові процеси, де надійність має критичне значення.