Ученые из Национального института лазерной, плазменной и радиационной физики в городе Мэгуреле предложили новый способ получения кислорода из углекислого газа марсианской атмосферы с помощью сверхплотных импульсных плазменных струй. В лабораторных экспериментах они доказали, что короткие, но мощные плазменные импульсы способны почти мгновенно расщеплять CO₂ на кислород и угарный газ при давлениях, близких к естественным условиям на Марсе.
Интерес к технологиям получения кислорода из CO₂ напрямую связан с перспективами освоения и, в более отдаленном будущем, колонизации красной планеты. Доставка кислорода с Земли для длительных миссий экономически и технически затратна, поэтому ключевой задачей становится производство жизненно важных веществ прямо на Марсе. Атмосфера этой планеты почти на 96% состоит из углекислого газа, и поэтому он рассматривается как основной источник кислорода для дыхания, топлива и других нужд будущих экспедиций.
Уже сегодня на американском марсоходе Perseverance проходит эксперимент MOXIE по производству кислорода из CO₂ методом высокотемпературного электролиза. Однако эта установка требует сложной системы компрессии и нагрева и дает сравнительно ограниченную производительность.
Румынские исследователи же пошли по другому пути и сделали ставку не на «медленную» химию, а на скорость процессов на уровне отдельных молекул. В традиционных плазменных установках (например, радиочастотных) электроны имеют относительно низкую энергию и расщепляют CO₂ поэтапно, возбуждая колебания молекулы. Такой механизм может быть энергоэффективным на Земле, но при низком давлении на Марсе он работает плохо: процесс идет слишком медленно и значительная часть уже образовавшегося кислорода успевает снова соединиться с угарным газом, возвращаясь в исходный CO₂.
В импульсной плазменной струе ситуация иная. За счет очень больших токов в коротком импульсе в плазме возникают электроны с энергией 10-13 электрон-вольт – этого достаточно, чтобы разорвать молекулу CO₂ за одну «встречу». Такой прямой механизм диссоциации занимает всего несколько наносекунд. В результате кислород образуется практически мгновенно и обратные реакции просто не успевают существенно снизить выход. В экспериментах, проведенных в Мэгуреле, кислород фиксировался в 20-50 раз быстрее, чем при использовании радиочастотной плазмы той же мощности.
Работа показала и важные практические закономерности. При очень низком давлении достигается наибольшая доля расщепленного CO₂, а при давлениях около 4–5 торр — максимальная масса полученного кислорода, поскольку в системе больше исходного газа. При дальнейшем росте давления эффективность падает, что связано с ухудшением условий разгона электронов. Эти результаты дают инженерам понятные ориентиры для будущей оптимизации – от геометрии электродов до режимов работы установки.
С точки зрения энергетики предложенный метод, впрочем, не лишен ограничений: при марсианском давлении любая плазменная технология неизбежно тратит относительно много энергии на одну молекулу. Тем не менее импульсные плазменные струи оказались заметно эффективнее других плазменных подходов в тех же условиях. Кроме того, система хорошо масштабируется по частоте импульсов. Хотя в лаборатории импульсы следовали редко, расчеты показывают, что при переходе к более мощным источникам питания можно выйти на производительность, достаточную для обеспечения потребностей человека в кислороде за разумное время.
