В течение следующих пятнадцати лет НАСА, Китай и SpaceX планируют отправить на Марс первые экспедиции с экипажем. Во всех трёх случаях эти миссии должны завершиться созданием на поверхности среды обитания, которая позволит возвращаться на Марс много раз и, вполне возможно, создавать постоянные людские поселения. Эта задача включает множество сложностей, и одна из самых больших — потребность в большом количестве топлива, а также пригодного для дыхания воздуха. И то, и другое можно получить с помощью электролиза, когда электромагнитное поле воздействует на воду (H2O), образуя газообразный кислород (O2) и жидкий водород (LH2).
Хотя на поверхности Марса имеются обширные залежи водяного льда, что делает эту задачу выполнимой, существующие технологические решения не отвечают требованиям надёжности и эффективности, необходимым для освоения космоса. К счастью, группа исследователей из Georgia Tech предложила «Магнитогидродинамический привод для производства водорода и кислорода при высадке Марс«, который может похвастаться разносторонней функциональностью при полном отсутствии в системе движущихся частей. Эта система может произвести революцию в двигательных установках космических аппаратов и была выбрана программой NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) для первой фазы разработки.
Предложение принадлежит Альваро Ромеро-Кальво, доценту Технологического института Джорджии, и его коллегам из Исследовательской корпорации Технологического института Джорджии (GTRC). В системе используется магнитогидродинамическая (МГД) электролитическая ячейка, которая на основе электромагнитных полей ускоряет электропроводящую жидкость (в данном случае воду) без каких-либо движущихся частей. Это позволяет системе извлекать и отделять кислород и водород в условиях микрогравитации, устраняя необходимость в принудительной рециркуляции воды и сопутствующем оборудовании (например, насосах или центрифугах).
Будучи специалистом в области науки о низкой гравитации, механики жидкостей и магнитогидродинамики, Ромеро-Кальво со своей командой провёл много лет, изучая возможности применения МГД-систем в космических полётах. Необходимость проведения специального исследования для оценки осуществимости этой концепции и её встраиваемости в подходящую архитектуру производства кислорода в конечном итоге и послужила причиной их предложения. В предыдущем исследовании Ромеро-Кальво и его соавтор доктор Катарина Бринкерт (профессор химии Уорикского университета) отметили, как можно уменьшить массу запускаемого аппарата, собирая необходимую воду на месте.
Однако они также отметили, что эксплуатация подобной техники в условиях микрогравитации сопряжена со многими неизвестными, большинство из которых не учтены в текущих исследованиях. В частности, они подчеркнули, что отсутствие плавучести в условиях микрогравитации приводит к возникновению серьёзных технических проблем, таких как необходимость отделять и собирать пузырьки 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 для космоса слишком сложны, неэффективны и ненадёжны. Как объяснил Ромеро-Кальво в недавнем пресс-релизе Georgia Tech:
Идея использования сил МГД для перекачки жидкости рассматривается в триллере 1990 года «Охота за «Красным Октябрём»», где советская подводная лодка-невидимка, работающая на МГД-приводе, нападает на Соединённые Штаты. Хотя забавно было смотреть на Шона Коннери в роли командира советской подводной лодки, правда в том, что МГД-привод для подводных лодок очень неэффективен. Наша концепция, напротив, работает в условиях микрогравитации, где слабая МГД сила становится доминирующей и может привести к возможностям, позволяющим выполнять миссии».
Вместо традиционных рециркуляционных петель предлагаемая МГД-система использует два различных механизма для отделения кислорода и водорода от воды. Первый обусловлен диамагнитными силами, которые возникают в присутствии сильных магнитных полей и приводят к эффекту магнитной плавучести. Второй полагается на силы Лоренца, которые являются следствием взаимодействия магнитного поля с током, возникающим между двумя электродами. Как отметил Ромеро-Кальво в своей заявке:
«Оба подхода потенциально могут привести к созданию нового поколения электролитических элементов с минимальным количеством движущихся частей или вообще без них, что позволит проводить пилотируемые операции в открытом космосе с минимальными потерями массы и мощности. По предварительным оценкам, интеграция функциональных элементов позволяет сократить бюджет на 50% по сравнению с архитектурой Oxygen Generation Assembly при уровне надёжности 99%. Эти значения применимы к стандартному перелёту на Марс для четырёх экипажей с потреблением 3,36 кг кислорода в день».
В случае успеха система МГД позволит рециркулировать воду и газообразный кислород в долгосрочных космических путешествиях. Ромеро-Кальво и другие коллеги из Школы аэрокосмической инженерии имени Даниэля Гуггенхайма при Технологическом институте Джорджии в другой работе продемонстрировали, что эта технология может найти применение в водных двигательных установках малых космических аппаратов и в других миссиях, где необходимо использовать утилизацию ресурсов на месте (ISRU). В настоящее время Ромеро-Кальво и его коллеги сформулировали концепцию и разработали аналитические и численные модели.
На следующем этапе команда и их партнёры из Giner Labs (научно-исследовательская электрохимическая фирма из Массачусетса) проведут технико-экономические исследования. В течение следующих девяти месяцев они получат $175 000 на изучение общей жизнеспособности системы и уровня готовности технологии. В основном это будут вычислительные исследования, но также будут созданы прототипы для тестирования ключевых технологий здесь, на Земле. В рамках первой фазы они также смогут принять участие в конкурсе на вторую фазу стоимостью $600 000 на двухлетнее исследование.
Ранняя демонстрация этой технологии была испытана на борту 24-го полёта корабля New Sheperd (NS-24), который стартовал 19 декабря 2023 года без экипажа. При поддержке компании Blue Origin и Американского общества гравитации и космических исследований (ASGSR) команда Ромеро-Кальво проверила, как магниты электролизуют воду в условиях микрогравитации. Данные, полученные в ходе этого полёта и последующих испытаний, лягут в основу прототипа электролизёра HMD и могут привести к созданию системы, интегрированной на борт будущих космических миссий. Ромеро-Кальво сказал:
«Мы изучали фундаментальные магнитогидродинамические режимы течения, возникающие при приложении магнитного поля к электролизёрам воды в условиях космического полёта», — пояснил Ромеро-Кальво. «Эксперимент Blue Origin вместе с текущим сотрудничеством с группой профессора Катарины Бринкерт из Университета Уорика поможет нам предсказать движение пузырьков кислорода в условиях микрогравитации и подскажет, как мы можем построить будущий электролизёр воды для нужд людей».
