Из рассолов в реголите Марса научились добывать топливо и кислород

Планетологи продемонстрировали возможный способ получения водорода и кислорода высокой чистоты на Марсе путём электролиза жидкого рассола из марсианского реголита при низких температурах. Этот метод позволяет выделить в 25 раз больше кислорода, чем в установке такой же мощности в рамках эксперимента MOXIE по электролитическому разложению углекислого газа из атмосферы Марса, который будет проводить марсоход Perseverance. Кроме того электролиз рассола допускает возможность параллельно получать водород, который можно использовать как топливо.

Для долгосрочных космических экспедиций в будущем ключевым ресурсом должны быть кислород и топливо, которые нужно будет добывать за пределами Земли. Одной из перспективных технологий здесь может быть электролиз воды. Температура на поверхности Марса слишком низкая для существования воды в жидкой фазе на поверхности, но её запасы могут сохраняться на значительных площадях под слоем реголита. Растворимые соли, в частности, перхлораты, сильно понижают температуру замерзания воды, настолько, что она может сохраняться в жидком виде даже в марсианских условиях хотя бы в отдельные сезоны. Перхлораты, в их числе перхлорат магния Mg(ClO₄)₂ считаются одним из существенных компонент марсианского реголита. Температура замерзания их концентрированных растворов ниже −70°C. Для такого снижения точки замерзания это должен быть очень концентрированный раствор (рассол, или рапа). Такие рассолы встречаются на Земле в небольшом количестве мест — в особых условиях в некоторых лиманах и солёных озёрах. Среднегодовая температура на Марсе составляет −63°C и испытывает сильные колебания на протяжении суток — в среднем в диапазоне от 0° до −100°, поэтому в определённые периоды подповерхностные рассолы могут оставаться в жидком состоянии. Средняя температура на Земле составляет +14°C. Более подробно про возможности существования жидких концентрированных растворов солей в разных климатических зонах Марса можно прочитать в отдельной статье. Кроме того, согласно последним исследованиям марсианской орбитальной станции Mars Express, подо льдом вблизи марсианского южного полюса существуют солёные озёра (см. об этом подробнее в этой статье).

Как альтернативное решение планетологи из Университета Вашингтона (Сент-Луис) предложили использовать для извлечения кислорода электролиз солевого раствора из марсианского реголита. Они экспериментально продемонстрировали такую возможность на концентрированном соляном растворе при правдоподобных марсианских условиях. Подробно о результатах исследований можно прочитать в статье, вышедшей в декабре 2020 года в PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences).

Электролизатор для этого процесса включает пирохлорный (свинцово-рутенантный) анод и углеродный катод с платиновым покрытием. В данном случае рутенат свинца, вернее, составной оксид Pb₂Ru₂O_7-δ выступает катализатором восстановительной реакции с получением кислорода. Такое соединение — двойной оксид как минерал относится к группе пирохлоров, и они вместе с некоторыми другими группами соединений сейчас интенсивно исследуются в качестве катализаторов таких процессов. Более традиционные катализаторы — простые оксиды, в частности, рубидиевый RbO₂ и иридиевый IrO₂, они давно используются и служат эталоном сравнения для новых разработок. Эти компоненты позволяют системе работать без необходимости нагрева или очистки источника воды, а присутствие перхлоратов в растворе снижает электрическое сопротивление в электролите. В данном случае пирохлорный катализатор оказался эффективным средством в «марсианских» условиях для разложения воды, причём электролитическую ячейку можно использовать двояко: для выделения кислорода (на катоде) и водорода на аноде, то есть устройство может работать и как топливный элемент. Платиновое покрытие на аноде здесь также служит катализатором, но уже для реакции с выделением водорода. В экспериментах электролиз «марсианского» рассола перхлората проводился при температурах до −36°C, что соответствует типичным температурам, например, в умеренных широтах на планете. Для эмуляции марсианских условий, кроме низкой температуры, в экспериментах использовали сопоставимые концентрации соляных растворов, а также «атмосферу» из углекислого газа при соответствующих низких давлениях. Рассол магниевого перхлората имел концентрацию 2,8 М (моль/литр). Это примерно в 5 раз выше мольной доли солей в земном океане (но основной компонент солей в земной морской воде — соль NaCl, характерная величина солёности океанов 35‰ для неё соответствует мольной доле 0,6 M). Такая солёность гипотетического марсианского рассола позволяет ему оставаться в жидкой фазе при условиях эксперимента.

В итоге процесс, при мощности установки, аналогичной мощности устройства в эксперименте MOXIE, позволил получить в 25 раз больше кислорода по сравнению с возможностями установки MOXIE. Кроме того электролиз рассола допускает параллельное извлечение водорода, который можно использовать как топливо. Кроме возможного использования в будущих пилотируемых экспедициях на Марс этот процесс можно использовать на Земле для электролиза морской воды.