İlk insanı 1960’larda uzaya gönderdiğinden beri, bir anahtar zorluğun çözümü zor kaldı: uzayda oksijen verimli ve güvenilir üretimi. Uluslararası Uzay İstasyonu’nda bu sorun, uzun süreli uzay görevleri için ideal olmayan ağır ve enerji yoğun sistemler tarafından ele alınmaktadır.
Bremen Üniversitesi’ndeki Uygulamalı Uzay Teknolojisi ve Microgravity Merkezi (Zarm) ve Georgia Teknoloji Enstitüsü’nden Warwick Üniversitesi’nden bir araştırmacı ekibi, gelecekteki oksijen üretimini daha hafif, daha basit ve daha sürdürülebilir hale getirmek için oldukça basit ve zarif bir çözümü tanımlar – manyetizmi kullanarak.
Profesör Katerina Brinkert, Onursal Profesör, Warwick Üniversitesi ve İnsan Uzay Araştırma Teknolojileri Profesörü ve Zarm Direktörü, “Üretilen hidrojen ve oksijeni sıvı elektrolitten ayırmak için santrifüjlere veya herhangi bir mekanik hareketli parçaya ihtiyacımız olmadığını kanıtlayabildik. Bunun yerine, tamamen geçişli, düşük-güçlü bir sistemdir.”
Uzayda oksijen üretmenin yaygın yolu, bir elektrolite daldırılmış elektrotları kullanarak suyu hidrojen ve oksijene ayıran bir işlem olan su elektrolizidir. Bununla birlikte, yörüngenin ağırlıksızlığında, gaz kabarcıkları yukarı doğru yüzmez. Bunun yerine, elektrotlara yapışma eğilimindedirler ve sıvı içinde asılı kalırlar, uzun süreli görevler için pratik olmayan karmaşık, hantal ve güç aç bir sıvı yönetim sistemi gerektirirler, çünkü uzayda, her kilogram ekipman ve her watt önemlidir.
Warwick Üniversitesi, Georgia Teknoloji Enstitüsü ve Zarm’dan uluslararası bilim adamları ekibi, basit bir manyetik alan çözümünün, hacimli ekipman olmadan Bremen Drop Tower’da oluşturulan bir mikro şebeke ortamındaki elektrotlardan gaz kabarcıklarının ayrılmasını destekleyebileceğini gösterebildi. Çalışma şurada yayınlandı Doğa kimyası.
Georgia Teknoloji Enstitüsü Yardımcı Doçent Dr. Álvaro Romero-Calvo, “Ekibimiz, manyetik kuvvetlerin mikro yerçekiminde elektrokimyasal kabarcıklı akışları olağanüstü bir şekilde kontrol edebileceğini ve gelecekteki insan uzay akış mimarilerini sağlayabildiğini kanıtlayabildi.”
Refef dışı kalıcı mıknatıslar kullanan araştırma ekibi, kabarcıkları elektrotlardan uzaklaştıran ve belirlenen noktalarda toplayan pasif bir faz ayırma sistemi geliştirdi.
Bu atılımı elde etmek için ekip, elektrottan oksijen kabarcıklarının toplanmasına izin vermek için iki tamamlayıcı yaklaşım geliştirdi. Birincisi, suyun mikro yerçekimindeki mıknatıslara doğal olarak nasıl tepki verdiğinden yararlanır ve gaz kabarcıklarını toplama noktalarına yönlendirir.
İkinci yöntem, manyetik alanlar ve elektroliz tarafından üretilen elektrik akımları arasındaki etkileşimden kaynaklanan manyetohidrodinamik kuvvetler kullanır. Bu, sıvıda gaz kabarcıklarını konvektif etkilerden sudan ayıran bir eğirme hareketi yaratır – ISS’de kullanılan mekanik santrifüjler gibi, ancak mekanik rotasyon yerine manyetik kuvvetler kullanarak faz ayrımı.
Bugün yayınlanan bulgular dört yıllık ortak araştırmanın sonucudur. Georgia Tech’ten Álvaro Romero-Calvo, orijinal fikri üretti ve 2022 gibi erken bir tarihte hesaplamaları ve sayısal simülasyonları gerçekleştirdi. Daha sonra manyetik etkiler kullanarak suyu oksijen ve hidrojene bölmek için bir sistem geliştirmeye devam etti.
Elektro ve fotoelektrokimyasal kurulumlardaki teoriyi kanıtlamak ve ölçmek için, Katharina Brinkert’in Warwick’teki (2024’e kadar) ekibi ve ardından Zarm, mikro yerçekiminde değerlendirilecek deneyler ve cihazlar geliştirdi.
Shaumica Saravanabavan, Ph.D. Araştırmacı, Warwick Üniversitesi, “Zarm’a yaptığı geziler sırasında, çoklu damla kule deneylerinde (foto) elektroliz hücrelerinde faz ayrımı için manyetik kaldırma etki etkisini, kısmen Warwick’te ürettiğimiz elektrot malzemelerini kullanarak doğruladık. Dünya uygulamalarının ötesinde sürdürülebilir enerji teknolojilerinin ilerletilmesine katkıda bulunmaktan gurur duyuyorum.”
Deneyler, manyetik kuvvetlerin gaz kabarcık ayrılmasını ve hareketini iyileştirebileceğini ve elektrokimyasal hücrelerin verimliliğini%240’a kadar artırabildiğini doğruladı.
Bremen Üniversitesi Zarm’ın Araştırma Görevlisi Ömer Akay, “Gelişmiş hücrelerimiz, neredeyse karasal verimliliklerde mikro yerçekiminde su elektrolizinden hidrojen ve oksijen üretimine izin veriyor.” Dedi.
Bu atılım, uzun süredir devam eden bir uzay uçuşu mühendisliği problemini çözer ve insan uzay araştırmaları için daha basit, daha sağlam ve daha sürdürülebilir yaşam destek sistemleri geliştirmenin kapısını açar. Takım için bir sonraki adım, suborbital roket uçuşları yoluyla sistemi daha da doğrulamaktır.
