Одной из ключевых задач, стоящих перед инженерами при разработке технологий для космического применения, является проблема различных гравитационных условий. Как правило, инженеры имеют доступ только к испытательным стендам, которые моделируют либо земную гравитацию, либо микрогравитацию МКС. Создание и тестирование систем для пониженной, но не пренебрежимо малой гравитации Луны и Марса представляет собой гораздо более сложную задачу. Однако для некоторых систем, таких как электролиз, это критически важно. Электролиз — процесс, с помощью которого исследователи планируют производить кислород для дыхания астронавтов на постоянных базах на Луне или Марсе, а также водород для ракетного топлива.
Чтобы помочь в разработке систем, которые будут эффективно работать в этих условиях, группа исследователей под руководством физика доктора Пола Берка из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса решила обратиться к моделированию. Проблема, которую они пытаются решить, заключается в том, что в процессе электролиза на поверхности электрода образуются пузырьки, которые в условиях пониженной гравитации либо отделяются гораздо дольше, либо не отделяются вообще. Это создает буферный слой по длине электрода, снижая эффективность процесса электролиза, иногда полностью его останавливая.
Исследователи использовали метод, известный как вычислительная гидродинамика (CFD), для моделирования сил, которым подвергаются жидкости в условиях пониженной гравитации, и понимания образования пузырьков. Они смоделировали две другие жидкости, которые могут использоваться в электролизерах, помимо воды: расплавленную соль (MSE) и расплавленный реголит (MRE).
Расплавленная соль успешно используется на Земле в производстве кислорода. Однако электролиз расплавленного реголита всё ещё является новым вариантом использования и не был тщательно протестирован. В эксперименте, MOXIE, в ходе которого был создал кислород на Марсе в 2021 году, использовался углекислый газ в атмосфере Марса и твердотельный электрод — ни один из них не является представителем расплавленного реголита.
Моделирование показало, что MRE имеет самые сложные условия в условиях пониженной гравитации. Инженеры должны проектировать горизонтальные электроды в системах MRE, поскольку чем дольше пузырёк распространяется по электроду, тем больше времени требуется для того, чтобы он оторвался.
Кроме того, время, в течение которого пузырьки остаются прикрепленными к электроду, экспоненциально увеличивается с уменьшением гравитации. Это означает, что электролиз на Луне будет менее эффективным, чем на Марсе, который, в свою очередь, будет менее эффективным, чем на Земле. Планировщикам миссий придется учитывать эти расхождения, если они планируют получить что-то столь важное для миссии, как кислород, из этого процесса.
Гладкость электродов также, по-видимому, имеет значение, поскольку более грубые электроды с большей вероятностью будут удерживать свои пузырьки и, следовательно, окажутся менее эффективными. Другие инженерные решения могут преодолеть эти проблемы, например, вибрационный механизм на электроде для встряхивания пузырьков. Однако перед запуском миссии стоит учесть все дополнительные осложнения, которые возникают при работе в условиях пониженной гравитации.
Моделирование играет важную роль в этом процессе, но в конечном итоге человечеству придётся экспериментально проверить эти системы, возможно, на самой Луне, если использовать её местные ресурсы для поддержания постоянного присутствия человека.