新技術可以從火星的鹹水中獲得氧氣和燃料

2020-12-16 科技報告與資訊

火星上的溫度非常低,可飲用的水全部以冰的形式存在,而沒有結冰的水是因為含有活性土壤中的鹽分,降低了其冰點溫度,鹹水是無法直接飲用及使用的。

對於不能喝的鹹水,通常的方法是去除鹽分然後用電將其電解成氧氣(呼吸)和氫氣(燃料),在惡劣、危險的環境中,這是一項繁瑣、昂貴的工作。然而,如果能直接從鹽水中脅迫出氧氣和氫氣,那麼鹽水電解過程就不會那麼複雜和昂貴了。

位於聖路易斯的華盛頓大學麥凱爾維工程學院的工程師們開發出了一個可以做到這一點的系統。他們的研究成果發表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》(PNAS)上。

由能源、環境與化學工程系的Vijay Ramani教授領導的研究小組,並沒有簡單地在陸地條件下驗證其鹽水電解系統,而是在模擬的火星大氣中,在零下33華氏度(零下36攝氏度)的條件下對該系統進行了測試。

2008年夏天,美國宇航局的 "鳳凰號 "火星登陸器 "觸摸並品嘗 "到了火星水,這些水是登陸器挖出的融化的冰的蒸汽。此後,歐洲航天局的 "火星快車 "發現了幾個地下水塘,由於有高氯酸鎂鹽的存在,這些水塘仍處於液態。

為了在火星上生活,太空人需要在紅色星球上製造一些必需品,包括水和燃料。美國宇航局的 "鍥而不捨 "號火星車現在正在前往火星的途中,它攜帶的儀器將使用高溫電解法。不過,火星氧氣原位資源利用實驗(MOXIE)將只從空氣中的二氧化碳中生產氧氣。

本系統在使用同樣的功率時,可以產生比MOXIE多25倍的氧氣。它還能產生氫氣,可用於為太空人的回家之旅提供燃料。"我們的新型鹽水電解器結合了我們團隊開發的釕酸鉛燒綠石陽極和碳鉑鉑陰極, "Ramani說。"這些精心設計的組件加上傳統電化學工程原理的優化利用,造就了這種高性能。"

精心的設計和獨特的陽極使該系統無需加熱或淨化水源就能發揮作用。

"水中溶解的高氯酸鹽,即所謂的雜質,在火星這樣的環境中實際上是有幫助的,"論文的共同第一作者Shrihari Sankarasubramanian說。"它們可以防止水結冰,還可以通過降低電阻來提高電解器系統的性能。"

通常情況下,水電解器使用高度淨化的去離子水,這增加了系統的成本。一個能夠使用 "次優 "或鹹水的系統,如Ramani團隊展示的技術,可以顯著提高水電解器在各地的經濟價值,包括在地球上。

"在嚴苛的火星條件下演示了這些電解器後,我們還打算在地球上更溫和的條件下部署這些電解器,以利用鹹水或鹽水生產氫氣和氧氣,例如通過海水電解。"博士後研究助理,同時也是這項研究的共同第一作者Pralay Gayen說。

論文標題為《Fuel and oxygen harvesting from Martian regolithic brine》。

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