Учёные разработали инновационный способ производства кислорода для астронавтов, который может стать ключом к успешным миссиям на Луну и Марс. Использование магнитов вместо громоздких центрифуг делает системы жизнеобеспечения легче, эффективнее и устойчивее. Об этом сообщает исследование, опубликованное в журнале Nature Chemistry в августе 2025 года.

Проблема традиционных систем

На Международной космической станции (МКС) кислород получают путём электролиза воды — процесса, при котором вода разделяется на кислород и водород с помощью электричества. На Земле газовые пузырьки, образующиеся на электродах, поднимаются вверх благодаря гравитации. Однако в условиях микрогравитации они остаются на месте, что требует использования центрифуг для их отделения. Такие центрифуги:

  • Громоздкие: занимают много места и увеличивают массу оборудования.
  • Энергоёмкие: потребляют значительное количество энергии.
  • Ненадёжные: сложная механика делает их неподходящими для длительных миссий на Луну или Марс.

Эти ограничения делают традиционные системы непригодными для глубокого космоса, где каждый килограмм и ватт на счету.

Решение с помощью магнитов

Команда под руководством Альваро Ромеро-Кальво из Технологического института Джорджии в сотрудничестве с Центром прикладных космических технологий и микрогравитации (ZARM) Университета Бремена и Университетом Уорика предложила альтернативу — использование магнитных сил для управления пузырьками газа в микрогравитации.

Исследователи разработали два подхода:

  1. Диамагнетизм: вода в микрогравитации слабо отталкивается магнитным полем, что позволяет направлять пузырьки газа к точкам сбора.
  2. Магнитогидродинамика (МГД): взаимодействие магнитного поля с электрическими токами, возникающими при электролизе, создаёт вихревое движение жидкости, которое отделяет пузырьки от электродов, имитируя эффект центрифуги.

Эти методы позволяют пассивно отделять кислород и водород без механических компонентов, снижая вес и энергопотребление системы.

Испытания и результаты

Технология была протестирована в башне свободного падения ZARM в Бремене, Германия, высотой 146 метров, которая создаёт условия микрогравитации на 9,3 секунды. Эксперименты показали увеличение эффективности отделения пузырьков до 240% по сравнению с традиционными методами, что значительно повышает производительность электролизных ячеек.

«После четырёх лет напряжённой работы мы показали, что магнитные силы могут управлять газовыми пузырьками в микрогравитации. Это важный шаг к созданию более эффективных и надёжных систем жизнеобеспечения», — отметил Ромеро-Кальво.

История разработки и перспективы

Идея использования магнитов для электролиза впервые была предложена Ромеро-Кальво в рамках его докторской диссертации в Университете Колорадо. Затем проект получил поддержку программы NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC), а также финансирование от Европейского космического агентства (ESA) и Немецкого аэрокосмического центра (DLR).

Команда планирует дальнейшие исследования:

  • Тестирование в реальных условиях: с помощью суборбитальных ракет для проверки работы системы в длительной микрогравитации.
  • Масштабирование: адаптация технологии для больших систем, способных поддерживать длительные миссии.
  • Оценка долговечности: изучение надёжности магнитных систем для многолетних космических полётов.

Почему это важно?

Традиционные системы электролиза, такие как Oxygen Generation Assembly (OGA) на МКС, слишком тяжёлые и сложные для миссий на Марс, где надёжность и компактность критически важны. Анализ NASA Ames показал, что текущие архитектуры непригодны для таких задач из-за высокой массы и энергопотребления. Магнитная технология решает эти проблемы, предлагая:

  • Снижение массы: до 50% по сравнению с OGA для миссий на Марс.
  • Пассивное управление: отсутствие движущихся частей повышает надёжность.
  • Энергоэффективность: минимальное потребление энергии для длительных миссий.

Вкратце…

Разработка магнитной системы для электролиза воды — это прорыв в создании лёгких и надёжных систем жизнеобеспечения для космических миссий. Использование диамагнетизма и магнитогидродинамики позволяет отказаться от громоздких центрифуг, делая производство кислорода проще и устойчивее. Испытания в башне ZARM подтвердили эффективность технологии, а дальнейшие тесты на суборбитальных ракетах помогут подготовить её к реальным полётам. Эта разработка, поддержанная NASA, ESA и DLR, открывает новые перспективы для освоения Луны, Марса и глубокого космоса, делая длительные миссии более осуществимыми.