Люди склонны воспринимать многое как должное, даже такую простую вещь, как глоток свежего воздуха. Легко забыть, насколько сильно наш организм зависит от кислорода - пока он не становится бесценным ресурсом, как, например, на борту Международной космической станции.
Хотя астронавтов обычно отправляют в космос с запасами необходимых припасов, постоянно отправлять на станцию баллоны с воздухом для дыхания было бы слишком дорого. Вместо этого кислород, на который полагаются астронавты для первичного жизнеобеспечения, создается с помощью процесса, называемого электролизом, когда электричество используется для разделения воды на водород и кислород. На Земле аналогичный процесс происходит естественным образом в процессе фотосинтеза, когда растения используют водород для получения сахаров, необходимых для питания, и выделяют кислород в атмосферу.
Однако, поскольку система на МКС требует огромного количества энергии и обслуживания, ученые ищут альтернативные способы устойчивого создания воздуха в космосе. Одно из таких решений было недавно опубликовано в журнале NPJ Microgravity, в котором исследователи нашли способ извлечения газов из жидкостей с помощью магнитов.
"Не многие знают, что вода и другие жидкости в какой-то степени тоже магнитные", - говорит Альваро Ромеро-Кальво, доцент Школы аэрокосмической техники имени Гуггенхайма при Технологическом институте Джорджии и ведущий автор исследования.
"Физический принцип довольно хорошо известен в физическом сообществе, [но] применение в космосе на данный момент практически не изучено", - говорит он. "Когда космический инженер проектирует космическую систему с жидкостями, он даже не рассматривает возможность использования магнитов, чтобы вызвать разделение фаз".
В Центре прикладных космических технологий и микрогравитации (ZARM) при Университете Бреннана в Германии команда Ромеро-Кальво смогла изучить явление "магнитно-индуцированной плавучести". Эту идею легче объяснить, представив себе банку газировки: На Земле, поскольку жидкость плотнее, чем молекулы углекислого газа, пузырьки газировки отделяются и всплывают к верху напитка под действием гравитации планеты. В космосе, где микрогравитация создает непрерывное свободное падение и устраняет эффект плавучести, вещества внутри становится труднее разделить, и эти пузырьки просто остаются висеть в воздухе.
Чтобы проверить, могут ли магниты изменить ситуацию, команда взяла свои исследования в башню падения ZARM, где эксперимент, помещенный в герметичную капсулу падения, может достичь невесомости на несколько секунд. Вводя пузырьки воздуха в шприцы, наполненные различными жидкостями-носителями, команда смогла использовать силу магнетизма для успешного отделения пузырьков газа в условиях микрогравитации. Это доказало, что пузырьки могут как притягиваться, так и отталкиваться неодимовым магнитом изнутри различных веществ.
Кроме того, исследователи обнаружили, что благодаря магнитным свойствам, присущим различным водным растворам (например, очищенной воде и оливковому маслу), которые они тестировали, можно направлять пузырьки воздуха в различные места внутри жидкости. По сути, стало проще собирать или пропускать воздух через сосуд. По словам Ромеро-Кальво, результаты исследования показывают, что разработка магнитных фазовых сепараторов в условиях микрогравитации может привести к созданию более надежных и легких космических систем, например, более совершенных устройств управления топливом или технологий переработки сточных вод.
Чтобы продемонстрировать потенциальное использование магнитов в исследовательских целях, команда также провела эксперимент с бульоном Лизогения - средой, используемой для выращивания бактерий в экспериментах МКС. Оказалось, что и бульон, и оливковое масло "значительно пострадали" от воздействия на них магнитной силы. "Каждая частица усилий, которые мы направляем на решение этой проблемы, - это хорошо потраченные усилия, потому что это повлияет на многие другие продукты в космосе", - говорит Ромеро-Кальво.
Если следующее поколение космических инженеров решит применить магниты на будущих космических станциях, новый метод может создать более эффективную, пригодную для дыхания атмосферу для обеспечения путешествий человека к другим внеземным средам, включая Луну и, особенно, Марс. Если бы мы планировали полет человека на Красную планету, то существующая на МКС система насыщения кислородом слишком сложна, чтобы быть полностью надежной во время длительного путешествия. Упрощение ее с помощью магнитов позволит снизить общую стоимость полета и обеспечить достаточное количество кислорода.
Хотя Ромеро-Кальво говорит, что их открытие в конечном итоге может помочь нам высадиться на Марсе, другие ученые работают над способами производства кислорода с использованием плазмы - состояния материи, содержащей свободные заряженные частицы, такие как электроны, которые легко возбуждаются мощными электрическими полями - для топлива, удобрений и других материалов, которые могут помочь колонизации планеты. И хотя ни один из этих проектов пока не достиг масштабов, эти новые достижения представляют собой удивительные подвиги, на которые способны люди, когда мы продолжаем двигаться вперед, стремясь выйти за привычные горизонты.