Химики разработали фотоэлектрохимическую ячейку для расщепления воды на водород и кислород в условиях микрогравитации, и при этом доказали ее работоспособность, сбрасывая ее в экспериментальной капсуле со 120-метровой высоты. Оказалось, что предложенный ими элемент с нанотекстурированной поверхностью электрокатализатора позволяет отводить от электродов образующийся газ и не снижает эффективность даже в условиях невесомости, пишут ученые в Nature Communications.

Расщепление воды на водород и кислород с помощью солнечного света позволяет получать горючее газовое топливо. Именно с помощью такой реакции, проводимой в фотоэлектрохимических ячейках, ученые предлагают получать водородное топливо на космических кораблях, используя для этого энергию солнечного света. Однако до сих пор было непонятно, будут ли эти системы нормально работать в условиях невесомости, ведь образующий газ должен отводиться от электродов, чтобы не препятствовать дальнейшему поступлению катионов водорода. Если на Земле — при наличии силы тяжести (а соответственно, и силы Архимеда) — этот процесс происходит сам, то в условиях микрогравитации эффективность фотоэлектрохимических ячеек для расщепления воды может быть значительно ниже.

Экспериментальная капсула, которая сбрасывалась вниз с высоты 120 метров. ZARM Drop Tower Operation and Service

Химики из США, Нидерландов и Германии под руководством Ханса-Йоахима Леверенца (Hans-Joachim Lewerenz) предложили такую схему ячейки для расщепления воды под действием света, которая должна работать и в условиях микрогравитации. Основу ячейки составил электрокатализатор на основе родия, нанесенный через маску из полистирольных наносфер на поверхность светопоглощающего катода из фосфида индия. Благодаря использованию маски у этой поверхности появляется нанотекстура, которая заставляет образующиеся пузырьки отрываться от электрода, и они не препятствуют дальнейшему протеканию реакции. Также для ускорения отвода пузырьков газа от электродов ученые добавляли в раствор электролита на основе хлорной кислоты один процент изопропанола.

Для проверки работоспособности разработанной ячейки в условиях микрогравитации ученые провели эксперимент в капсуле (в ней находились и сама ячейка, и источник света), которую сбрасывали вниз со 120-метровой высоты в вакуумизированной башне. Во время падения в ячейке воспроизводились условия микрогравитации (с минимальным уровнем 10^-6 g), общая длительность свободного падения составила 9,3 секунды. Для сравнения такой же эксперимент проводился с аналогичной ячейкой, но с плоским слоем электрокатализатора. Также обе эти ячейки были протестированы в условиях нормального земного притяжения.

Общая схема эксперимента: слева — башня, в которой проводился эксперимент, посередине — капсула, которую сбрасывали вниз, справа — ячейка для получения водорода. K. Brinkert et al./ Nature Communications, 2018

Оказалось, что предложенная конфигурация действительно позволяет эффективно расщеплять воду в условиях невесомости. При этом работоспособность элемента сохраняется и при достаточно больших плотностях тока — вплоть до 16 миллиампер на квадратный сантиметр. Показатели аналогичной ячейки с плоским электрокатализатором оказались несколько хуже, но если в условиях земной гравитации плотность тока была лишь на несколько процентов ниже, чем для нанотекстуриованной поверхности, то в условиях микрогравитации она упала более чем в три раза.

Последовательность стадий эксперимента по сбрасыванию фотоэлектрохимической ячейки с высоты 120 метров. K. Brinkert et al./ Nature Communications, 2018

Чтобы подтвердить механизм повышения эффективности электрохимического элемента за счет ускоренного отрыва пузырьков и большей скорости транспорта ионов, эту систему промоделировали численно с использованием кинетической транспортной модели, которая подтвердила полученные результаты. По словам авторов работы, полученные ими результаты доказывают возможность использования подобных ячеек в космосе, а разработанные методы в будущем позволят оптимизировать геометрию и точный состав фотоэлектрохимического элемента для подобных целей.

Как правило, для определения возможного влияния микрогравитации необходимо более долгое время, чем те несколько секунд, в течение которых капсула находится в полете. Поэтому для проведения более длительных экспериментов используются другие установки. Небольшие тестовые эксперименты можно проводить в специальных вращающихся камерах. Для проведения полноценных экспериментов в условиях микрогравитации установки отправляются на орбиту. Например, на таким образом борту МКС изучали растворимость таблеток в воде, а для исследования воздействия антибиотиков на кишечную палочку на орбиту Земли даже запустили отдельный микроспутник EcAMSat.

Автор: Александр Дубов