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 исследования Марса. Доставка кислорода с Земли для длительных миссий экономически и технически затратна, поэтому ключевой задачей становится производство жизненно важных веществ прямо на месте. Атмосфера этой планеты почти на 96% состоит из углекислого газа, поэтому он рассматривается как основной источник кислорода для дыхания, топлива и других нужд будущих экспедиций.
На американском марсоходе Perseverance уже проходит эксперимент по производству кислорода из CO2 методом высокотемпературного электролиза. Однако эта установка требует сложной системы компрессии и нагрева и дает сравнительно ограниченную производительность.
Румынские ученые пошли по другому пути и сделали ставку на скорость процессов на уровне отдельных молекул. В обычных плазменных установках электроны имеют относительно низкую энергию и расщепляют CO2 поэтапно, возбуждая колебания молекулы. Такой механизм может быть энергетически эффективным на Земле, но при низком давлении на Марсе он работает плохо. Процесс идет слишком медленно, 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 достаточной, чтобы сразу разорвать молекулу CO2. Такой прямой механизм диссоциации занимает всего несколько наносекунд. В результате кислород образуется практически мгновенно, а 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.
Хотя при марсианском давлении любая плазменная технология неизбежно тратит относительно много энергии на одну молекулу, импульсные плазменные струи оказались заметно эффективнее других плазменных подходов в тех же условиях. Кроме того, система хорошо масштабируется по частоте импульсов. Расчеты показывают, что при переходе к более мощным источникам питания можно выйти на производительность, достаточную для обеспечения потребностей человека в кислороде за разумное время.
