I gas dispersi nell’acqua in microgravità, venendo meno il principio di Archimede, si comportano diversamente rispetto a quanto avviene sulla Terra. L’astronauta André Kuipers a bordo della Stazione spaziale internazionale ha inserito una bolla d’aria in una soluzione acquosa in assenza di gravità. Crediti: Esa
Un team di ricercatori dell’Università del Colorado Boulder e del Center for Applied Space Technology and Microgravity dell’Università di Brema ha proposto un nuovo metodo per generare ossigeno dall’acqua attraverso l’uso della polarizzazione magnetica per separare le molecole di ossigeno e idrogeno prodotte dall’elettrolisi. Lo studio, pubblicato su npj Microgravity (una rivista del gruppo Nature), ha dimostrato attraverso questo sistema di riuscire a separare l’ossigeno nella cella elettrolitica in un ambiente di microgravità, in cui le tipiche forze di galleggiamento presenti sulla terra (il principio di Archimede) sono assenti. Nella Stazione spaziale internazionale l’ossigeno è infatti generato attraverso l’elettrolisi dell’acqua, ma il problema principale rimane quello di riuscire a estrarre l’ossigeno dal generatore per poi utilizzarlo. In un ambiente di microgravità, il processo di separazione di fase rappresenta un problema, non solo per il ciclo elettrolitico ma anche per altri aspetti della vita nello spazio: rimozione dell’anidride carbonica dalle cabine, trasferimento di calore nei moduli, uso dei propellenti nei vari dispositivi a bordo, riciclo delle acque, eccetera. Tutti questi processi richiedono la corretta gestione delle particelle di gas all’interno di un liquido, perché nello spazio i gas dispersi nei liquidi si comportano diversamente rispetto a quanto avviene sulla Terra: senza l’effetto di galleggiamento, le particelle di gas tendono infatti a coalescere e ad accumularsi vicino ai catalizzatori, bloccando il processo.
Attualmente sono in uso diversi sistemi per separare i gas dai liquidi nei diversi dispositivi a bordo dell’Iss, come per esempio le centrifughe. Il problema di questi sistemi è però il loro alto costo di gestione in termini energetici e di massa. Per permettere ai futuri astronauti di compiere missioni su Marte o nello spazio profondo, dove non è possibile ricevere rifornimenti dalla Terra, sarà perciò necessario generare l’ossigeno, riciclare l’acqua e l’anidride carbonica direttamente a bordo, e l’implementazione di dispositivi miniaturizzati adatti a queste necessità sarà cruciale. E il ricorso alla polarizzazione magnetica si prospetta una soluzione adatta per essere usata nell’esplorazione spaziale profonda.
La torre Zarm (Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation) dell’Università di Brema è usata per compiere esperimenti in microgravità. Crediti: Esa
Il team di ricercatori delle università di California e di Brema ha riprodotto un ambiente di microgravità utilizzando la drop tower (o torre a caduta libera) dell’Università di Brema, conosciuta come Zarm. Si tratta di una torre alta 146 metri in cui possono essere compiuti esperimenti in quasi-assenza di gravità. Proprio come nell’esperimento di Galileo Galilei sulla caduta dei gravi effettuati dalla Torre di Pisa a fine del XVI secolo, lo scopo di questo laboratorio verticale è quello di simulare l’assenza di gravità facendo cadere lungo un condotto verticale depressurizzato un cilindro in cui è contenuto l’esperimento, consentendo così di simulare la microgravità – nel caso della torre Zarm, per circa 9,3 secondi.
Nell’esperimento sono state effettuate diverse prove, inserendo ossigeno nelle soluzioni acquose più disparate – dalla purissima acqua MilliQ all’olio d’oliva – all’interno di una siringa sottoposta a un campo magnetico generato da un magnete al neodimio. Sfruttando le proprietà diamagnetiche e paramagnetiche delle molecole della soluzione, è stato così possibile rimuovere le bollicine di ossigeno presenti all’interno della siringa e veicolarle attraverso il campo magnetico.
L’esperimento è stato condotto inserendo bolle di ossigeno all’interno di diversi tipi di soluzioni acquose in una siringa sottoposta a un campo magnetico generato da un magnete al neodimio. Crediti: Álvaro Romero-Calvo
«Rendere efficiente la separazione di fase in ambienti di microgravità è un ostacolo per l’esplorazione spaziale umana conosciuto fin dai primi voli spaziali nel 1960», ricorda una delle autrici dello studio, Katharina Brinkert, ricercatrice allo Zarm. «Questo processo è cruciale per i sistemi di supporto vitale a bordo della Stazione spaziale internazionale e delle navicelle spaziali, dove l’ossigeno è prodotto attraverso l’elettrolisi dall’acqua e bisogna riuscire a separarlo dagli elettrodi e dal liquido elettrolita».
Attualmente a bordo dell’Iss sono presenti diversi sistemi per generare ossigeno attraverso l’acqua e l’anidride carbonica. L’Oxygen Generating System della Nasa, situato a bordo del modulo Destiny, e il sistema Elektron, precedentemente sviluppato per la stazione spaziale russa Mir, situato a bordo del modulo Zvedza, usano processi simili tramite elettrolisi dell’acqua. L’Advanced Closed Loop System dell’Esa impiega invece un processo differente, convertendo prima anidride carbonica e idrogeno in acqua (sfruttando la reazione di Sabatier) e solo successivamente estraendo l’ossigeno tramite l’elettrolisi. Questo sistema riesce a ridurre di circa 400 litri la quantità di acqua – e il relativo costo – da trasportare ogni anno a bordo della Iss.
I dispositivi di separazione tramite magneti sperimentati nello studio condotto allo Zarm permetteranno di ridurre il peso e l’energia necessaria per l’operatività di questi sistemi. Gli esperimenti sulla separazione di fase tramite magneti realizzati in microgravità «hanno permesso di ottenere ottimi risultati per gli sviluppi futuri di sistemi a separazione di fase per le missioni spaziali a lungo termine», conclude Brinkert, «mostrando che produrre in maniera efficiente ossigeno e idrogeno in sistemi elettrolitici è possibile anche in assenza di forze di galleggiamento».
Guarda il video della Nasa sul comportamento dell’acqua in microgravità:
Per saperne di più:
- Leggi su Nature npj l’articolo “Magnetic phase separation in microgravity”, di Álvaro Romero-Calvo, Ömer Akay, Hanspeter Schaub & Katharina Brinkert