Veja como podemos transformar água em oxigênio para astronautas em Marte e na Lua

A produção de Oxigênio em Marte foi evidenciada pelo Perseverance

Cientistas realizaram pesquisas sobre o processo de eletrólise da água em condições de gravidade artificial – de 0,166g a 8g. Com gravidade reduzida, que os cientistas simularam com uma centrífuga em condições de vôo parabólico, a remoção de oxigênio dos eletrodos diminui, o que leva a uma diminuição na eficiência do processo de produção de oxigênio em seis por cento durante a eletrólise em Marte e 11 por cento na Lua.

Obtendo oxigênio em Marte

A obtenção de oxigênio em Marte é uma das tarefas mais importantes para a colonização do planeta. Experimentos diretos nesta área estão apenas começando – engenheiros da NASA enviaram junto com o rover Perseverance um eletrolisador de óxido sólido MOXIE baseado em zircônia estabilizada com ítrio.

Seu princípio de operação é oxidar o dióxido de carbono em monóxido de carbono e oxigênio molecular, aplicando uma corrente elétrica. Em abril de 2021, a MOXIE lidou com sucesso com a conversão de dióxido de carbono em oxigênio – em uma hora de operação, um desses eletrolisadores produziu 5,4 gramas de oxigênio, o suficiente para uma pessoa respirar por 10 minutos.

Formas alternativas de obter oxigênio em Marte são a eletrólise da água, durante a qual, além do oxigênio, o hidrogênio também é liberado (também pode ser útil), e a eletrólise do regolito em sais fundidos, que também podem ser usados para obter metais. No entanto, em ambos os métodos, bolhas de gás estão presentes no líquido, cujo comportamento nas condições de outro planeta pode ser diferente do observado na Terra.

Oxigênio em Marte: testando o efeito da gravidade na eletrólise da água

Uma equipe de eletroquímicos liderada por Mark D. Symes da Universidade de Glasgow decidiu investigar o efeito da gravidade no processo de eletrólise da água. Os cientistas realizaram eletrólise em gravidade reduzida usando voos parabólicos de microgravidade e usaram uma centrífuga para simular o aumento da gravidade.

Foto de bolhas no eletrodo após 14 segundos em diferentes gravidades menores que a gravidade padrão da Terra. Crédito: Bethany A. Lomax et al./ Nature Communications, 2022

Conforme idealizado pelos pesquisadores, experimentos em baixa gravidade podem ser aproximados a partir de experimentos com centrífuga – que é muito mais barato e fácil de implementar do que organizar voos parabólicos, em que o tempo do experimento é limitado a 20 segundos. Para estabelecer o padrão, os cientistas realizaram uma série de experimentos em uma ampla gama de acelerações – de 0,1g a 8g, o que ninguém havia feito antes.

Descobriu-se que na região de alta gravidade, a tensão na célula cai com uma dependência logarítmica, enquanto os dados de experimentos em baixa gravidade continuam essa tendência, o que permite generalizar e testar processos gás-líquido associados à gravidade em centrífugas controladas no futuro.

Fotografia de bolhas no eletrodo após 14 segundos em diferentes gravidades acima da gravidade padrão da Terra. Crédito: Bethany A. Lomax et al./ Nature Communications, 2022

Depois de estabelecer os parâmetros eletroquímicos do macrossistema em função da força da gravidade, os cientistas decidiram examinar mais de perto o processo de formação de bolhas de oxigênio na superfície do cátodo.

Como eles fizeram isso?

Para isso, os cientistas instalaram uma câmera de vídeo na célula móvel da centrífuga e registraram os processos de nucleação, crescimento, coalescência e separação das bolhas de oxigênio da superfície. Descobriu-se que, com gravidade reduzida, uma camada de espuma é formada no cátodo a partir de pequenas bolhas, que se afastam lentamente da direção da aceleração.

Como as bolhas se moviam mais rápido que a resolução da câmera, era impossível quantificar seu tamanho. Para avaliar o revestimento do eletrodo com bolhas de espuma, os cientistas compararam a cor normalizada de um pixel de uma fotografia do eletrodo com uma conversão preliminar da imagem para preto e branco.

A quantidade de espuma, como se viu, também depende logaritmicamente da gravidade. Além disso, no caso de gravidade reduzida, o ângulo de contato de umedecimento da bolha acabou sendo menor em 18 graus do que nas condições da gravidade da Terra. Isso significa que as bolhas, que na Terra já teriam saído da superfície do eletrodo, estão estáveis em sua superfície, o que significa que reduzem a eficiência da eletrólise.

Vista lateral das bolhas de oxigênio no cátodo (esquerda) em gravidade normal, (direita) em gravidade reduzida com os ângulos de contato indicados. Crédito: Bethany A. Lomax et al./ Nature Communications, 2022

Explicando o motivo da dependência não linear da eficiência da eletrólise com a gravidade, os cientistas consideraram o processo de crescimento e separação das bolhas da posição das forças – nesse processo, as forças principais são representadas pela força de Arquimedes, que empurra o bolha de gás mais leve na direção oposta à direção da gravidade, e a força de tensão superficial, que não permite que a bolha se solte da superfície do eletrodo.

O ângulo de molhagem e o diâmetro de contato são menos dependentes da gravidade do que a força de Arquimedes – e, portanto, em condições de gravidade reduzida, a tensão superficial desempenha um papel mais importante, devido à qual mais bolhas permanecem na superfície do eletrodo.

Resultados e descobertas

Ao avaliar a eficiência da eletrólise, os cientistas formaram as seguintes especificações para a eletrólise – se for realizada sob os mesmos parâmetros da Terra, o rendimento de oxigênio diminuirá em 11%, mas esse problema pode ser resolvido apenas aumentando a potência atual em 1,1 por cento na implementação galvanostática da eletrólise (quando a força da corrente permanece constante, e não o potencial, em contraste com a implementação do potenciostato).

No entanto, vale a pena considerar que esses números são obtidos para pequenas células, e dimensioná-los para grandes eletrolisadores pode levar a perdas de energia muito maiores, que devem ser levadas em consideração no planejamento de missões de colonização para fornecer efetivamente oxigênio às pessoas.

Assim, os eletroquímicos mostraram que experimentos em condições de gravidade aumentada, que são fáceis de controlar e usar nas condições da Terra, podem ser estendidas à baixa gravidade observada em corpos cósmicos de tamanho e massa menores que a Terra. Isso ajudará a prever melhor os processos tecnológicos e ajustá-los às realidades das novas condições.

Publicado em 14/02/2022 06h56

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