Depuis l'envoi du premier humain dans l'espace dans les années 1960, la solution à un défi clé est restée insaisissable: la production efficace et fiable d'oxygène dans l'espace. Sur la Station spatiale internationale, ce problème est résolu par des systèmes lourds et à forte intensité énergétique qui ne sont pas idéaux pour les missions spatiales de longue durée.
Une équipe de chercheurs de l'Université de Warwick, le centre de la technologie et de la microgravité de l'espace appliqué (ZARM) à l'Université de Brême, et le Georgia Institute of Technology, décrivent une solution remarquablement simple et élégante pour rendre la production plus légère, plus simple et plus durable, plus simple.
Le professeur Katerina Brinkert, professeur honoraire, Université de Warwick et professeur de technologies d'exploration spatiale humaine et directeur de Zarm, a déclaré: « Nous avons pu prouver que nous n'avons pas besoin de centrifugeuses ou de pièces en mouvement mécanique pour séparer la puissance de l'hydrogène et de l'oxygène liquide.
La façon courante de produire de l'oxygène dans l'espace est par électrolyse d'eau, un processus qui divise l'eau en hydrogène et en oxygène à l'aide d'électrodes immergées dans un électrolyte. Dans l'apesanteur de l'orbite, cependant, les bulles de gaz ne flottent pas vers le haut. Au lieu de cela, ils ont tendance à s'en tenir aux électrodes et à rester en suspension dans le liquide, nécessitant un système de gestion des fluides complexe, volumineux et avalé qui n'est pas pratique pour les missions de longue durée car dans l'espace, chaque kilogramme d'équipement et chaque watt de puissance est important.
L'équipe internationale de scientifiques de l'Université de Warwick, Georgia Institute of Technology and Zarm, a pu démontrer qu'une solution de champs magnétiques simples peut soutenir la séparation des bulles de gaz des électrodes dans un environnement de microgravité, créé à la tour de chute de Brême, sans équipement encombrant. L'œuvre est publiée dans Chimie de la nature.
Le Dr Álvaro Romero-Calvo, professeur adjoint, Georgia Institute of Technology, a déclaré: « Notre équipe a pu prouver que les forces magnétiques peuvent contrôler possiblement les flux pétillants électrochimiques en microgravité, en sortant de l'état de l'état de l'art dans la mécanique des fluides à faible gravité et l'activation de futures architectures de vols humains. »
En utilisant des aimants permanents standard, l'équipe de recherche a développé un système de séparation de phases passive qui repousse les bulles des électrodes et les recueille à des taches désignées.
Pour réaliser cette percée, l'équipe a développé deux approches complémentaires pour permettre la collecte de bulles d'oxygène de l'électrode. Le premier profite de la façon dont l'eau réagit naturellement aux aimants en microgravité, guidant les bulles de gaz vers des points de collecte.
La deuxième méthode utilise des forces magnétohydrodynamiques, qui découlent de l'interaction entre les champs magnétiques et les courants électriques générés par l'électrolyse. Cela crée un mouvement de rotation dans le liquide qui sépare les bulles de gaz de l'eau à travers les effets convectifs – la séparation des phases comme les centrifugeuses mécaniques utilisées sur l'ISS, mais en utilisant des forces magnétiques au lieu de la rotation mécanique.
Les résultats publiés aujourd'hui sont le résultat de quatre ans de recherche conjointe. Álvaro Romero-Calvo de Georgia Tech a produit l'idée originale et a effectué les calculs et les simulations numériques dès 2022. Il a ensuite continué à développer un système de division de l'eau en oxygène et en hydrogène en utilisant des effets magnétiques.
Pour prouver et quantifier la théorie dans les configurations électro-et photoélectrochimiques, l'équipe de Katharina Brinkert à Warwick (jusqu'en 2024) puis ZARM, a développé des expériences et des appareils à évaluer en microgravité.
Dr. Shaumica Saravanabavan, Ph.D. Le chercheur de l'Université de Warwick a déclaré: « Lors de mes voyages à Zarm, nous avons confirmé l'effet de flottabilité magnétique pour la séparation de phases dans les cellules d'électrolyse (Photo) dans plusieurs expériences de la tour de chute, en utilisant des matériaux d'électrode que nous avons en partie fabriqués à Warwick.
Les expériences ont confirmé que les forces magnétiques peuvent améliorer le détachement et le mouvement des bulles de gaz et améliorer l'efficacité des cellules électrochimiques jusqu'à 240%.
Ömer Akay, associé de recherche à Zarm, à l'Université de Brême, a déclaré: « Nos cellules développées permettent la production d'hydrogène et d'oxygène de l'électrolyse d'eau en microgravité à une efficacité presque terrestre. »
Cette percée résout un problème de longue date d'ingénierie des vols spatiaux et ouvre la porte au développement de systèmes de soutien à la vie plus simples, plus robustes et plus durables pour l'exploration spatiale humaine. La prochaine étape pour l'équipe consiste à valider davantage le système par le biais de vols de fusées suborbitales.
