Công nghệ mới thu oxy và nhiên liệu từ nước muối sao Hỏa

Bề mặt sao Hỏa. Nguồn:National Geographic

Đó cũng chính là nước trên sao Hỏa.

Hành tinh đỏ rất lạnh; nước trên đó không bị đóng băng vì có rất nhiều muối trong đất, vốn đòi hỏi mức nhiệt độ thấp hơn để có thể đóng băng được. Người ta không thể uống nước mặn được, và phương pháp thông thường là sử dụng điện (điện phân) để phân hủy nó thành oxy (thành khí thở) và hydro (nhiên liệu) đòi hỏi phải loại muối; một nỗ lực đòi hỏi chi phí cao, trang thiết bị tốt trong một môi trường hết sức nghiêm ngặt.

Nếu lấy oxy và hydro được lấy trực tiếp từ nước muối thì thì quá trình điện phân này có thể bớt phức tạp hơn – và ít chi phí hơn.

Các kỹ sư tại trường Kỹ thuật McKelvey, trường đại học Washington tại St. Louis đã phát triển một hệ cho phép làm được điều đó. Công trình nghiên cứu của họ đã được xuất bản trên Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) “Fuel and oxygen harvesting from Martian regolithic brine” (Thu nhiên liệu và oxy từ nước muối trong lớp đất bề mặt sao Hỏa).

Nhóm nghiên cứu do Vijay Ramani, giáo sư Roma B. và Raymond H. Wittcoff của Khoa Năng lượng, môi trường và kỹ thuật hóa học, dẫn dắt, không đơn giản là xác nhận hệ điện phân dưới những điều kiện như trên trái đất; hệ này được kiểm tra trong một môi trường mô phỏng điều kiện khí quyển sao Hỏa, mức -360 C).

“Hệ điện phân nước muối sao Hỏa của chúng tôi thay đổi một cách triệt để các nhiệm vụ tính toán logictics tới sao Hỏa và hơn thế nữa”, Ramani cho biết. “Công nghệ này hoàn toàn hữu dụng với cả trái đất, nơi có thể khai thác nguồn oxy và nhiên liệu từ các đại dương”.

Mùa hè năm 2008, Phoenix Mars Lander của NASA đã “chạm và nếm” nước sao Hỏa, hóa hơi nó từ băng tan được chiếc xe tự hành này đào lên. Kể từ đó, Mars Express của Cơ quan Vũ trụ châu Âu đã khám phá ra vô vàn bể nước bên dưới lớp đất mặt sao Hỏa vẫn còn ở trạng thái lỏng nhờ sự hiện diện của magie peclorat – một loại muối.

Giáo sư Vijay Ramani và cộng sự trong phòng thí nghiệm. Nguồn: trường đại học Washington

Để sống được trên sao Hỏa, đấy còn chưa kể việc quay trở lại trái đất, các phi hành gia sẽ cần đến việc sản xuất ra một vài thứ thiết yếu, bao gồm nước và nhiên liệu. Ngay trên đó. Thiết bị  Perseverance của NASA trên đường tới sao Hỏa mang theo nhiều thiết bị sẽ được sử dụng để điện phân trong nhiệt độ cao. Tuy vậy Thực nghiệm Sử dụng nguồn tài nguyên oxy tại chỗ trên Sao Hỏa (MOXIE) sẽ chỉ tạo ra được mỗi khí oxy từ carbon dioxide có trong không khí.

Do phòng thí nghiệm của Ramani phát triển, hệ điện phân này có thể tạo ra mức oxy nhiều gấp 25 lần so với MOXIE trong khi vẫn sử dụng lượng điện tương đương. Nó còn tạo ra hydro, vốn có thể giúp các phi hành gia có nhiên liệu cho chuyến hành trình trở về nhà.

“Hệ điện phân nước muối mới của chúng tôi có tích hợp một cực dương lead ruthenate pyrochlore (Pb2Ru2O6.5) cũng do chúng tôi phát triển trong việc tích hợp với một bạch kim trên cực âm carbon”, Ramani giải thích. “Các hợp phần được thiết kế một cách cẩn thận được kết cặp với việc sử dụng tối ưu các nguyên tắc kỹ thuật điện hóa truyền thống đã giúp đem lại hiệu suất cao”.

Cực dương được thiết kế một cách cẩn trọng và độc đáo cho phép hệ này có được chức năng mà không cần đến việc gia nhiệt hoặc làm tinh khiết nguồn nước.

“Thật nghịch lý là việc perchlorate bị hòa tan trong nước, gọi là các pha tạp, trên thực tế lại hữu dụng trong môi trường như sao Hỏa”, Shrihari Sankarasubramanian, một nhà nghiên cứu trong nhóm của Ramani và là tác giả thứ nhất của công bố, cho biết.

“Chúng ngăn cho nước khỏi bị đóng băng và cải thiện hiệu suất của hệ điện phân bằng việc làm yếu đi điện trở”.

Tiêu biểu, hệ điện phân nước dùng nước tinh khiết và đã được khử ion, điều này làm tăng chi phí của hệ đó. Việc cho một hệ có thể hoạt động với gần điều kiện tối ưu hoặc nước mặn, như kỹ thuật được   nhóm của Ramani áp dụng, có thể tăng cường một cách đáng kể giá trị kinh tế để hệ điện phân nước có thể được dùng ở tất  cả mọi nơi – thậm chí ngay cả trên trái đất của chúng ta.

“Với những hệ điện phân có thể hoạt động ở điều kiện sao Hỏa, chúng tôi hướng tới mục tiêu dùng chúng trong những nơi có điều kiện thuận lợi hơn như trên trái đất, qua đó xử lý nước lợ hoặc nước mặn để tạo ra hydro và oxy, ví dụ như điện phân nước biển”, Pralay Gayen, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ hợp tác với nhóm nghiên cứu của Ramani và cũng là đồng tác giả thứ nhất của nghiên cứu.

Rất nhiều ứng dụng có thể trên như tạo oxy ở vùng dưới mặt biển vì nó có thể cung cấp oxy khi chúng ta khám phá những vùng biển sâu...

Các công nghệ tham gia xây dựng hệ điện phân nước muối sẽ đem lại nhiều phát minh sáng chế thông qua Văn phòng quản lý công nghệ của trường, nơi đang sẵn sàng cấp giấy phép cho các hoạt động như vậy.

Theo tiasang