Modelleme çalışması, düşük yer çekiminde kayadan oksijen üretmenin daha zor olduğunu gösteriyor

Mühendislerin uzayda kullanılmak üzere teknolojiler geliştirirken karşılaştıkları zorluklardan biri farklı yerçekimleridir. Mühendisler çoğunlukla yalnızca Dünya’nın normal yerçekimini veya şanslılarsa ISS’nin mikro yerçekimini yansıtan test yataklarına erişebilirler. Ay ve Mars’ta azaltılmış ancak ihmal edilebilir olmayan yerçekimi için sistemler tasarlamak ve test etmek çok daha zordur. Ancak bazı sistemler için bu olmazsa olmazdır.

Bu sistemlerden biri, kaşiflerin astronotların kalıcı bir ay veya Mars üssünde soluyabileceği oksijen ve roket yakıtı için hidrojen gibi kritik bileşenler üretme süreci olan elektrolizdir. Bu koşullarda çalışacak sistemlerin geliştirilmesine yardımcı olmak için, Johns Hopkins Üniversitesi Uygulamalı Fizik Laboratuvarı’ndan hesaplamalı fizikçi Dr. Paul Burke liderliğindeki bir araştırmacı ekibi, her yerdeki bilim insanlarının favori aracına, modellere yönelmeye karar verdi.

Modeli incelemeden önce, çözmeye çalıştıkları problemi incelemek faydalıdır. Elektroliz, bir elektrodu bir sıvıya daldırır ve atomları ayırmak için elektrik akımı ve ardından gelen kimyasal reaksiyon kullanır. Yani, örneğin, bir elektrodu suya koyarsanız, bu suyu hidrojen ve oksijene ayırır.

Sorun, azaltılmış yer çekiminden kaynaklanır. Elektrolizin bir parçası olarak, elektrot yüzeyinde kabarcıklar oluşur. Dünya’da, bu kabarcıklar genellikle ayrılır ve yüzeye çıkar, çünkü aralarındaki ve kalan sıvı arasındaki yoğunluk farkı onları buna zorlar.

Ancak, azaltılmış yerçekiminde, kabarcıkların ayrılması çok daha uzun sürer veya hiç ayrılmaz. Bu, elektroliz işleminin verimliliğini azaltan ve bazen tamamen durmasına neden olan elektrotun uzunluğu boyunca bir tampon tabakası oluşturur. Elektroliz, azaltılmış yerçekimi ortamlarında çalışmakta zorluk çeken tek akışkan süreci değildir; birçok ISS deneyinde de sorun vardır. Bunun nedeni kısmen sıvıların bu ortamlarda nasıl çalıştığına dair eksiksiz bir anlayış eksikliğidir ve bu durum kısmen deneysel verilerin yetersizliğinden kaynaklanmaktadır.

İşte modellemenin devreye girdiği yer burasıdır. Dr. Burke ve meslektaşları, kabarcık oluşumunu anlarken aynı zamanda akışkanların azaltılmış yerçekimi ortamında maruz kalacağı kuvvetleri taklit etmeye çalışmak için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği olarak bilinen bir teknik kullanırlar.

Dünya’daki elektroliz genellikle suyla yapılır, ancak neden burada duralım ki? Ekip, elektrolizörlerde kullanılabilecek iki başka sıvıyı modellemek için CFD’lerini kullandı: erimiş tuz (MSE) ve erimiş regolit (MRE). Araştırma yayınlanan dergide Uzay Teknolojilerinde Sınırlar.

Erimiş tuz Dünya’da kullanılır, ancak normal sudan daha az yaygın olarak kullanılır ve oksijeni başarıyla üretmiştir. Ancak, erimiş regolit elektrolizi hala bir nevi yeni bir kullanım örneğidir ve henüz kapsamlı bir şekilde test edilmemiştir. 2021’de Mars’ta oksijen yaratan ünlü deney olan MOXIE, Mars atmosferindeki karbondioksiti ve katı hal elektrotunu kullanmıştır; ikisi de erimiş regolitin temsilcisi değildir.

Dr. Burke ve ekibi, en azından hesaplama açısından, MRE’nin azaltılmış yerçekiminde en zorlayıcı koşullara sahip olduğunu buldu. Ayrıca hiçbir azaltılmış yerçekimi ortamında test edilmedi, bu nedenle şimdilik, mühendislerin bir sistem tasarlayacaklarsa devam etmeleri gereken tek şey bu simülasyonlar.

Ancak modellemeden birkaç önemli çıkarım yapıldı. Öncelikle, mühendisler yatay elektrotları MRE sistemlerine tasarlamalıdır, çünkü bir kabarcık bir elektrot boyunca ne kadar uzun süre yayılırsa (yani, “yukarı” doğru çıkarsa), o kabarcığın ayrılması o kadar uzun sürer. Yatay bir yapılandırmada, elektrotun bağlanacağı yüzey alanı daha azdır, bu da kabarcıkların ayrılıp yüzeye çıkma olasılığını artırır.

Ek olarak, baloncukların bir elektrota bağlı kalma süresi azalan yer çekimiyle üssel olarak ölçeklenir. Bu, Ay’daki baloncukların Mars’takilerden, Dünya’dakilerden daha uzun sürede ayrılacağı anlamına gelir.

Sonuç olarak, Ay’daki elektroliz Mars’takinden daha az verimli olacak, Mars da Dünya’dakinden daha az verimli olacak ve görev planlayıcıları bu süreçten oksijen gibi görev açısından kritik bir şey elde etmeyi planlıyorlarsa bu tutarsızlıkları hesaba katmak zorunda kalacaklar. Elektrotların pürüzsüzlüğü de önemli görünüyor, daha pürüzlü elektrotların kabarcıklarını tutma olasılığı daha yüksek ve bu nedenle daha az verimli oluyorlar.

Diğer mühendislik çözümleri, örneğin elektrotta kabarcıkları sallamak için titreşimli bir mekanizma gibi, tüm bu zorlukların üstesinden gelebilir. Ancak, bir görevi başlatmadan önce azaltılmış yerçekimi ortamındaki operasyonların tüm ek komplikasyonlarını göz önünde bulundurmak iyi bir fikirdir. Bu yüzden modelleme çok önemlidir, ancak insanlık, oradaki varlığımızı sürdürmek için yerel kaynaklarını kullanmayı planlıyorsak, nihayetinde bu sistemleri deneysel olarak, belki de Ay’ın kendisinde test etmek zorunda kalacaktır.