Jak pozyskujemy tlen teraz, a jak będziemy go produkować w kosmicznych koloniach?

Proces ten jest tak powszechny na Ziemi, że nawet nie myślimy o nim jako o czymś wyjątkowym. To błąd, biorąc pod uwagę nie tylko to, że wciąż nie do końca poznaliśmy wszystkich mechanizmów tego procesu, ale też patrząc w ujęciu kosmicznym, jest niezwykle wyjątkowy, bo nie znaleźliśmy dowodów na to by zachodził na jakiejkolwiek innej planecie.

W czasopiśmie Nature Communications ukazał się ostatnio artykuł, w którym uczeni przyjrzeli się ostatnim osiągnięciom w dziedzinie sztucznej fotosyntezy, która może zapewnić nam niezbędny do przetrwania tlen w misjach kolonizacji kosmosu. Nasza potrzeba oddychania jest jednym z głównych czynników utrudniających nam dalekie podróże kosmiczne. Ilość tego pierwiastka, którą możemy zabrać ze sobą na misję, jest bardzo ograniczona, a lot w jedną stronę na Marsa trwa około dwóch lat. Nawet dotarcie do jednego z naszych najbliższych sąsiadów trwa więc bardzo długo i wymaga zabrania ze sobą ogromu zapasów tlenu.

Znamy obecnie kilka metod pozyskania niezbędnego nam gazu, jednak nie są one specjalnie efektywne. Na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej  większość tlenu pozyskuje się przy pomocy procesu elektrolizy. Energia elektryczna z paneli słonecznych jest wykorzystywana do rozbijania wody na wodór oraz tlen, którym oddychają astronauci. ISS posiada też oddzielny system, który pomaga w przekształcaniu wydychanego przez nich dwutlenku węgla w wodę i metan. 

Samo pozyskiwanie tlenu to jedna trzecia energii wykorzystywanej przez cały system podtrzymywania życia na ISS, więc nietrudno zauważyć, że procesy te są średnio opłacalne w kontekście przyszłych kolonii kosmicznych. W dodatku systemy te są dosyć zawodne i wymagają ciągłego nadzoru. Nie dziwota więc, że naukowcy szukają lepszych, oszczędniejszych i bezpieczniejszych alternatyw.

Jednym z podejść jest gromadzenie energii słonecznej i późniejsze wykorzystywanie jej do bezpośredniej produkcji tlenu i recyklingu dwutlenku węgla w jednym urządzeniu. Jedynym wkładem, jaki musielibyśmy uzupełniać w takim urządzeniu byłaby (podobnie jak w przyrodzie) woda. 

Sprowadzenie całego procesu do jednego urządzenia jest kluczowe, ponieważ pozwoliłoby przyspieszyć produkcję chemiczną, ograniczyć masę sprzętu i skomplikowanego okablowania, a także konserwację całości. Póki co taki sprzęt rozważany jest do zastosowania na Księżycu lub Marsie jedynie teoretycznie. Zamiast obecnego w roślinach i algach chlorofilu wykorzystywałby on materiały półprzewodnikowe. Uczeni stwierdzili, że tak skonstruowane urządzenia rzeczywiście byłyby opłacalne, jako uzupełnienie istniejącej obecnie technologii podtrzymywania życia. 

Inne podejście do tematu obejmuje produkcję tlenu bezpośrednio z księżycowego regolitu, czyli gleby. Taka produkcja wymaga jednak wykorzystania bardzo wysokich temperatur. Zespół Carbothermal Reduction Demonstration NASA przeprowadził test w warunkach podobnych do tych panujących na Księżycu. Laser o dużej mocy, który symulował ciepło z koncentratora energii słonecznej stopił imitację księżycowej gleby w reaktorze karbotermalnym. Po podgrzaniu gleby zespół był w stanie wykryć tlenek węgla przy pomocy spektrometru. 

Aby ten proces miał praktyczne zastosowanie reaktor karbotermiczny musi być w stanie utrzymać ciśnienie, aby powstrzymać gazy przed ucieczką w kosmos, jednocześnie umożliwiając dostarczanie do niego nowych porcji regolitu i usuwanie już przetworzonych. Testowany model był przystosowany do warunków panujących na księżycu i okazał się w pełni funkcjonalny, więc będzie mógł zostać użyty podczas testów w kosmosie. Uczeni żywią nadzieję, że gwałtowny rozwój technologii sztucznego pozyskiwania tlenu nastąpi wraz z rozwojem programu Artemis.

Naukowcy opracowujący techniki sztucznej fotosyntezy przypominają jednak, że poza tlenem może ona służyć też do pozyskiwania pierwiastków energetycznych, zamiast cukrów produktem ubocznym mogą być oparte na wodorze substancje, które będą mogły być wykorzystywane do produkcji wysokoenergetycznych paliw. Wyniki tych badań wesprą w takim razie nie tylko przyszłych kosmicznych kolonistów, ale otworzą też nowe drogi do produkcji ekologicznego paliwa na Ziemi

Źródło: phys.org, NASA