Ruimtevaartorganisaties en particuliere bedrijven hebben al vergevorderde plannen om de komende jaren mensen naar Mars te sturen en uiteindelijk te koloniseren. En met een groeiend aantal ontdekkingen van aardachtige planeten rond nabije sterren, ruimtereizen over lange afstanden leek nog nooit zo spannend.

Echter, het is niet gemakkelijk voor mensen om voor langere tijd in de ruimte te overleven. Een van de grootste uitdagingen bij ruimtevluchten over lange afstanden is het transporteren van voldoende zuurstof voor astronauten om te ademen en genoeg brandstof om complexe elektronica van stroom te voorzien. Helaas, er is maar weinig zuurstof beschikbaar in de ruimte en de grote afstanden maken het moeilijk om snel bij te vullen.

Maar nu een nieuwe studie, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , laat zien dat het mogelijk is om waterstof (voor brandstof) en zuurstof (voor het leven) uit water alleen te produceren met behulp van een halfgeleidermateriaal en zonlicht (of sterlicht) zonder zwaartekracht - waardoor langdurig ruimtereizen een reële mogelijkheid wordt.

Het gebruik van de onbegrensde hulpbron van de zon om ons dagelijks leven van stroom te voorzien is een van de grootste uitdagingen op aarde. Terwijl we langzaam overgaan van olie naar hernieuwbare energiebronnen, onderzoekers zijn geïnteresseerd in de mogelijkheid om waterstof als brandstof te gebruiken. De beste manier om dit te doen is door water te splitsen (H ₂ O) in zijn bestanddelen:waterstof en zuurstof. Dit is mogelijk met behulp van een proces dat bekend staat als elektrolyse, wat inhoudt dat er een stroom door een watermonster wordt geleid dat een oplosbaar elektrolyt bevat. Hierdoor wordt het water afgebroken tot zuurstof en waterstof, die afzonderlijk aan de twee elektroden worden afgegeven.

Hoewel deze methode technisch mogelijk is, het moet nog gemakkelijk beschikbaar worden op aarde omdat we meer waterstofgerelateerde infrastructuur nodig hebben, zoals waterstoftankstations, om het op te schalen.

zonnekracht

Waterstof en zuurstof die op deze manier uit water worden geproduceerd, kunnen ook als brandstof op een ruimtevaartuig worden gebruikt. Het lanceren van een raket met water zou namelijk een stuk veiliger zijn dan het lanceren met extra raketbrandstof en zuurstof aan boord, die explosief kunnen zijn. Eenmaal in de ruimte, speciale technologie zou het water kunnen splitsen in waterstof en zuurstof die op hun beurt kunnen worden gebruikt om het leven in stand te houden of om elektronica aan te drijven via brandstofcellen.

Er zijn twee mogelijkheden om dit te doen. De ene omvat elektrolyse zoals we op aarde doen, met behulp van elektrolyten en zonnecellen zonlicht opvangen en omzetten in stroom.

Het alternatief is om "fotokatalysatoren" te gebruiken, die werken door lichtdeeltjes - fotonen - te absorberen in een halfgeleidermateriaal dat in het water wordt ingebracht. De energie van een foton wordt geabsorbeerd door een elektron in het materiaal dat dan springt, een gat achterlatend. Het vrije elektron kan reageren met protonen (die samen met neutronen de atoomkern vormen) in water om waterstof te vormen. In de tussentijd, het gat kan elektronen uit water opnemen om protonen en zuurstof te vormen.

Het proces kan ook worden omgekeerd. Waterstof en zuurstof kunnen worden samengebracht of "opnieuw gecombineerd" met behulp van een brandstofcel die de zonne-energie teruggeeft die door de "fotokatalyse" wordt opgenomen - energie die kan worden gebruikt om elektronica van stroom te voorzien. Recombinatie vormt alleen water als product - wat betekent dat het water ook kan worden gerecycled. Dit is de sleutel tot ruimtereizen over lange afstanden.

Het proces waarbij gebruik wordt gemaakt van fotokatalysatoren is de beste optie voor ruimtereizen, aangezien de apparatuur veel minder weegt dan de apparatuur die nodig is voor elektrolyse. In theorie, het zou gemakkelijk moeten werken. Dit komt deels doordat de intensiteit van het zonlicht veel hoger is zonder dat de atmosfeer van de aarde grote hoeveelheden absorbeert op zijn weg naar het oppervlak.

Bellenbeheer

In de nieuwe studie de onderzoekers lieten de volledige experimentele opstelling voor fotokatalyse in een valtoren van 120 meter vallen, het creëren van een omgeving die lijkt op microzwaartekracht. Terwijl objecten in vrije val naar de aarde versnellen, het effect van de zwaartekracht neemt af naarmate de door de zwaartekracht uitgeoefende krachten door de versnelling worden tenietgedaan door gelijke en tegengestelde krachten. Dit is het tegenovergestelde van de G-krachten die astronauten en jachtpiloten ervaren als ze versnellen in hun vliegtuig.

De onderzoekers hebben kunnen aantonen dat het in deze omgeving inderdaad mogelijk is om water te splijten. Echter, als water wordt gesplitst om gas te creëren, bubbels vormen. Het verwijderen van bellen uit het eenmaal gevormde katalysatormateriaal is belangrijk - bellen belemmeren het proces van gasvorming. Op aarde, zwaartekracht zorgt ervoor dat de bellen automatisch naar de oppervlakte drijven (het water nabij het oppervlak is dichter dan de bellen, waardoor ze kopend zijn) - waardoor er ruimte op de katalysator vrijkomt voor de volgende bubbel die moet worden geproduceerd.

Bij nul zwaartekracht is dit niet mogelijk en blijft de bel op of nabij de katalysator. Echter, de wetenschappers pasten de vorm van nanoschaalkenmerken in de katalysator aan door piramidevormige zones te creëren waar de bel gemakkelijk van de punt kan loskomen en in het medium kan drijven.

Maar één probleem blijft. Bij afwezigheid van zwaartekracht, de bubbels blijven in de vloeistof, ook al zijn ze van de katalysator zelf weggeduwd. De zwaartekracht zorgt ervoor dat de gassen gemakkelijk uit de vloeistof kunnen ontsnappen, wat essentieel is voor het gebruik van zuivere waterstof en zuurstof. Zonder de aanwezigheid van zwaartekracht, er drijven geen gasbellen naar de oppervlakte en scheiden zich van het mengsel - in plaats daarvan blijft al het gas over om een ​​schuim te creëren.

Dit vermindert de efficiëntie van het proces drastisch door de katalysatoren of elektroden te blokkeren. Technische oplossingen rond dit probleem zullen de sleutel zijn tot het succesvol implementeren van technologie in de ruimte - met een mogelijkheid om centrifugale krachten van rotatie van een ruimtevaartuig te gebruiken om de gassen van de oplossing te scheiden.

Hoe dan ook, dankzij deze nieuwe studie zijn we een stap dichter bij een langdurige menselijke ruimtevlucht.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.