В течение следующих пятнадцати лет НАСА, Китай и SpaceX планируют отправить первые пилотируемые миссии на Марс. Во всех трех случаях эти миссии должны завершиться созданием наземной среды обитания, которая позволит вернуться многим людям и, вполне возможно, создать постоянные населенные пункты. Это создает множество проблем, одной из самых больших из которых является потребность в большом количестве пригодного для дыхания воздуха и топлива. Оба могут быть изготовлены посредством электролиза, когда к воде прикладывают электромагнитные поля (H2O) для создания газообразного кислорода (O2) и жидкий водород (LH2).
Хотя на поверхности Марса имеется достаточное количество залежей водяного льда, которые делают это возможным, существующие технологические решения не соответствуют уровням надежности и эффективности, необходимым для освоения космоса. К счастью, группа исследователей из Технологического института Джорджии предложила «Магнитогидродинамический привод для производства водорода и кислорода при транспортировке на Марс», который объединяет множество функций в систему без движущихся частей. Эта система может произвести революцию в двигательной установке космических кораблей и была выбрана программой НАСА «Инновационные передовые концепции» (NIAC) для фазы I разработки.
Предложение поступило от Альваро Ромеро-Кальво, доцента Технологического института Джорджии, и его коллег из Технологической исследовательской корпорации Джорджии (GTRC). В системе используется магнитогидродинамическая (МГД) электролитическая ячейка, которая использует электромагнитные поля для ускорения электропроводящей жидкости (в данном случае воды) без каких-либо движущихся частей. Это позволяет системе извлекать и разделять газообразные кислород и водород в условиях микрогравитации, устраняя необходимость в принудительной рециркуляции воды и связанном с ней оборудовании (например, насосах или центрифугах).
Будучи специалистом в области теории низкой гравитации, механики жидкости и магнитогидродинамики, Ромеро-Кальво и его команда провели много лет, исследуя применение МГД-систем для космических полетов. В конечном итоге их предложение мотивировалось необходимостью специального исследования для оценки осуществимости этой концепции и ее интеграции в подходящую архитектуру производства кислорода. В предыдущем исследовании Ромеро-Кальво и соавтор доктор Катарина Бринкерт (профессор химии в Университете Уорика) отметили, как вода, собранная на месте, уменьшит стартовую массу транспортных средств.
Однако они также отметили, что работа такого рода машин в условиях микрогравитации сопряжена со многими неизвестными, большинство из которых не рассматриваются текущими исследованиями. В частности, они подчеркнули, что отсутствие плавучести в условиях микрогравитации приводит к серьезным техническим проблемам, таким как необходимость отделения и сбора пузырьков кислорода и водорода, что традиционно решалось с помощью контуров принудительной рециркуляции воды. Однако, по их мнению, это приводит к созданию устройств управления жидкостью, состоящих из множества элементов и движущихся частей, которые являются сложными, неэффективными и ненадежными в космосе. Как объяснил Ромеро-Кальво в недавнем пресс-релизе Технологического института Джорджии:
«Идея использования МГД-сил для перекачки жидкости рассматривается в триллере 1990 года. Охота за «Красным Октябрем», где советская подводная лодка-невидимка с МГД-двигателем переправляется в Соединенные Штаты. Хотя забавно видеть Шона Коннери в роли командира советской подводной лодки, правда в том, что МГД-двигательная установка подводной лодки очень неэффективна. Наша концепция, напротив, работает в условиях микрогравитации, где слабая МГД-сила становится доминирующей и может привести к появлению возможностей, позволяющих выполнять миссии».
Вместо традиционных контуров рециркуляции предлагаемая МГД-система использует два различных механизма отделения кислорода и водорода от воды. Первый исходит от диамагнитных сил, которые возникают в присутствии сильных магнитных полей и приводят к эффекту магнитной плавучести. Во-вторых, существуют силы Лоренца, которые являются следствием наложения магнитного поля на ток, генерируемый между двумя электродами. Как отметил Ромеро-Кальво в своем предложении:
«Оба подхода потенциально могут привести к созданию нового поколения электролизеров с минимальным количеством движущихся частей или вообще без них, что позволит человеку осуществлять операции в глубоком космосе с минимальными потерями в массе и мощности. Предварительные оценки показывают, что интеграция функциональных возможностей приводит к сокращению массового бюджета до 50% по сравнению с архитектурой узла генерации кислорода при уровне надежности 99%. Эти значения относятся к стандартному перелету на Марс с четырьмя экипажами и потреблением кислорода 3,36 кг в день».
В случае успеха эта система HMD позволит повторно использовать воду и газообразный кислород во время долгосрочных космических путешествий. Ромеро-Кальво и другие коллеги из Школы аэрокосмической техники имени Дэниела Гуггенхайма в Технологическом институте Джорджии продемонстрировали в другой статье, что эта технология также может найти применение в двигательной установке SmallSat на водном основе и в других миссиях, где ISRU является обязательным. В настоящее время Ромеро-Кальво и его коллеги сформулировали концепцию и разработали аналитические и численные модели.
Следующим шагом команда и их партнеры из Giner Labs (электрохимическая научно-исследовательская фирма из Массачусетса) проведут технико-экономическое обоснование. В течение следующих девяти месяцев они получат 175 000 долларов на изучение общей жизнеспособности системы и уровня технологической готовности. Они будут состоять в основном из вычислительных исследований, но будут включать в себя прототипы, тестирующие ключевые технологии здесь, на Земле. В качестве предложения Фазы I они также будут иметь право претендовать на финансирование Фазы II в размере 600 000 долларов США на двухлетнее исследование.
Первый демонстратор этой технологии был испытан на борту 24-го полета беспилотного корабля New Sheperd (NS-24), стартовавшего 19 декабря 2023 года. При поддержке Blue Origin и Американского общества гравитации и космических исследований (ASGSR). Команда Ромеро-Кальво проверила, как магниты электролизируют воду в условиях микрогравитации. Данные этого полета и предстоящих испытаний лягут в основу прототипа электролизера HMD и могут привести к созданию системы, интегрированной на борт будущих космических миссий. Сказал Ромеро-Кальво:
«Мы изучали фундаментальные магнитогидродинамические режимы потока, которые возникают, когда мы прикладываем магнитное поле к электролизерам воды в условиях космического полета», — объяснил Ромеро-Кальво. «Эксперимент Blue Origin в сочетании с нашим текущим сотрудничеством с профессором Катариной Бринкерт.'Группа ученых из Университета Уорика поможет нам предсказать движение пузырьков кислорода в условиях микрогравитации и намекнет на то, как мы можем построить будущий электролизер воды для людей».
Дополнительная литература: НАСА, Технологический институт Джорджии
