Le agenzie spaziali e le aziende private hanno già piani avanzati per inviare umani su Marte nei prossimi anni, colonizzandolo alla fine. E con un numero crescente di scoperte di pianeti simili alla Terra intorno a stelle vicine, i viaggi spaziali a lunga distanza non sono mai sembrati più eccitanti.

Però, non è facile per gli umani sopravvivere nello spazio per lunghi periodi di tempo. Una delle principali sfide con il volo spaziale a lunga distanza è trasportare abbastanza ossigeno per far respirare gli astronauti e abbastanza carburante per alimentare l'elettronica complessa. Purtroppo, c'è solo poco ossigeno disponibile nello spazio e le grandi distanze rendono difficile fare ricariche veloci.

Ma ora un nuovo studio, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , mostra che è possibile produrre idrogeno (per il carburante) e ossigeno (per la vita) dalla sola acqua utilizzando un materiale semiconduttore e la luce solare (o luce stellare) a gravità zero, rendendo i viaggi spaziali prolungati una possibilità reale.

Usare la risorsa illimitata del sole per alimentare la nostra vita quotidiana è una delle più grandi sfide sulla Terra. Mentre ci stiamo lentamente spostando dal petrolio verso le fonti di energia rinnovabili, i ricercatori sono interessati alla possibilità di utilizzare l'idrogeno come combustibile. Il modo migliore per farlo sarebbe dividere l'acqua (H ₂ O) nei suoi costituenti:idrogeno e ossigeno. Ciò è possibile utilizzando un processo noto come elettrolisi, che comporta l'esecuzione di una corrente attraverso un campione d'acqua contenente un elettrolita solubile. Questo scompone l'acqua in ossigeno e idrogeno, che vengono rilasciati separatamente ai due elettrodi.

Sebbene questo metodo sia tecnicamente possibile, deve ancora diventare prontamente disponibile sulla Terra poiché abbiamo bisogno di più infrastrutture relative all'idrogeno, come stazioni di rifornimento di idrogeno, per ridimensionarlo.

potere del sole

L'idrogeno e l'ossigeno prodotti in questo modo dall'acqua potrebbero anche essere usati come carburante su un veicolo spaziale. Lanciare un razzo con acqua sarebbe infatti molto più sicuro che lanciarlo con carburante e ossigeno aggiuntivi a bordo, che può essere esplosivo. Una volta nello spazio, una tecnologia speciale potrebbe dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno che a loro volta potrebbero essere utilizzati per sostenere la vita o per alimentare l'elettronica tramite celle a combustibile.

Ci sono due opzioni per farlo. Uno riguarda l'elettrolisi come facciamo sulla Terra, utilizzando elettroliti e celle solari per catturare la luce solare e convertirla in corrente.

L'alternativa è usare "catalizzatori fotografici", che funzionano assorbendo particelle di luce – fotoni – in un materiale semiconduttore inserito nell'acqua. L'energia di un fotone viene assorbita da un elettrone nel materiale che poi salta, lasciando dietro di sé un buco. L'elettrone libero può reagire con i protoni (che costituiscono il nucleo atomico insieme ai neutroni) in acqua per formare idrogeno. Nel frattempo, il buco può assorbire elettroni dall'acqua per formare protoni e ossigeno.

Il processo può anche essere invertito. L'idrogeno e l'ossigeno possono essere uniti o "ricombinati" utilizzando una cella a combustibile che restituisce l'energia solare assorbita dalla "fotocatalisi", energia che può essere utilizzata per alimentare l'elettronica. La ricombinazione forma solo acqua come prodotto, il che significa che l'acqua può anche essere riciclata. Questa è la chiave per i viaggi spaziali a lunga distanza.

Il processo che utilizza catalizzatori fotografici è l'opzione migliore per i viaggi nello spazio poiché l'attrezzatura pesa molto meno di quella necessaria per l'elettrolisi. In teoria, dovrebbe funzionare facilmente. Ciò è in parte dovuto al fatto che l'intensità della luce solare è molto più elevata senza che l'atmosfera terrestre assorba grandi quantità durante il suo percorso verso la superficie.

Gestione delle bolle

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno lasciato cadere l'intero allestimento sperimentale per la fotocatalisi in una torre di caduta di 120 m, creando un ambiente simile alla microgravità. Mentre gli oggetti accelerano verso la Terra in caduta libera, l'effetto della gravità diminuisce man mano che le forze esercitate dalla gravità vengono annullate da forze uguali e contrarie dovute all'accelerazione. Questo è l'opposto delle forze G sperimentate dagli astronauti e dai piloti di caccia mentre accelerano nei loro aerei.

I ricercatori sono riusciti a dimostrare che è effettivamente possibile scindere l'acqua in questo ambiente. Però, poiché l'acqua viene scissa per creare gas, si formano bolle. Eliminare le bolle dal materiale del catalizzatore una volta formato è importante:le bolle ostacolano il processo di creazione del gas. Sulla terra, la gravità fa sì che le bolle galleggino automaticamente in superficie (l'acqua vicino alla superficie è più densa delle bolle, che li rende acquirenti) – liberando lo spazio sul catalizzatore per la produzione della prossima bolla.

In assenza di gravità questo non è possibile e la bolla rimarrà sopra o vicino al catalizzatore. Però, gli scienziati hanno regolato la forma delle caratteristiche su scala nanometrica nel catalizzatore creando zone a forma di piramide in cui la bolla potrebbe facilmente staccarsi dalla punta e galleggiare nel mezzo.

Ma rimane un problema. In assenza di gravità, le bolle rimarranno nel liquido, anche se sono state allontanate dal catalizzatore stesso. La gravità consente ai gas di fuoriuscire facilmente dal liquido, che è fondamentale per l'utilizzo dell'idrogeno e dell'ossigeno puri. Senza la presenza di gravità, non ci sono bolle di gas che salgono in superficie e si separano dalla miscela, ma tutto il gas rimane per creare una schiuma.

Ciò riduce drasticamente l'efficienza del processo bloccando i catalizzatori o gli elettrodi. Le soluzioni ingegneristiche attorno a questo problema saranno la chiave per implementare con successo la tecnologia nello spazio, con una possibilità di utilizzare le forze centrifughe dalla rotazione di un veicolo spaziale per separare i gas dalla soluzione.

Tuttavia, grazie a questo nuovo studio siamo un passo più vicini al volo spaziale umano di lunga durata.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.