利用磁体制造氧气可以帮助宇航员轻松呼吸

诸平

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据英国华威大学（University of Warwick）2022年8月12日报道，利用磁体制造氧气可以帮助宇航员轻松呼吸（Making oxygen with magnets could help astronauts breathe easy）。

华威大学的一个国际科学家团队提出了一种利用磁力为宇航员制造氧气的可能更好的方法，其中包括华威大学的一名化学家。相关研究结果于2022年8月8日已经在《npj微重力》（npj Microgravity）杂志网站发表——álvaro Romero-Calvo, Ömer Akay, Hanspeter Schaub, Katharina Brinkert. Magnetic phase separation in microgravity. npj Microgravity, 2022, 8, Article number: 32. DOI: 10.1038/s41526-022-00212-9. Published: 08 August 2022. https://doi.org/10.1038/s41526-022-00212-9

参与此项研究的有来自美国科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado, Boulder, USA）、德国柏林自由大学（Freie Universität Berlin, Germany）、德国不莱梅大学（University of Bremen, Germany）以及英国华威大学的研究人员。

让宇航员在国际空间站（International Space Station简称ISS）和其他太空飞行器（space vehicles）上保持呼吸是一个复杂而昂贵的过程。随着人类计划未来的月球或火星任务，将需要更好的技术。

该研究的主要作者、科罗拉多大学博尔德分校的博士毕业生阿尔瓦罗·罗梅罗-卡尔沃（álvaro Romero-Calvo）说:“在国际空间站上，氧气是通过电解池产生的，电解池将水分解成氢和氧，但必须把这些气体从系统中释放出来。美国国家航空航天局艾姆斯研究所(NASA Ames)的一名研究人员，在最近进行的一项分析得出结论，在火星之旅中采用相同的架构将会对质量和可靠性造成巨大的损失，因此使用这种架构没有任何意义。”

德国华威大学化学系和应用空间技术与微重力中心{University of Warwick Department of Chemistry and Center for Applied Space Technology and Microgravity (ZARM) in Germany}的凯瑟琳娜·布林克特博士（Dr. Katharina Brinkert）说:“在低重力环境中有效的相分离是人类太空探索的一个障碍，自20世纪60年代首次太空飞行以来就已经知道了。这种现象对航天器上的生命维持系统和国际空间站(ISS)来说是一个特别的挑战，因为宇航员所需的氧气是在电解水系统中产生的，需要从电极和液体电解质中分离出来。”

根本问题是浮力。

想象一杯碳酸饮料水。在地球上，二氧化碳气泡很快浮到顶部，但在没有重力的情况下，这些气泡无处可去。相反，它们悬浮在液体中。美国宇航局目前使用离心机将气体排出，但这些机器很大，需要大量的质量、功率和维护。与此同时，该团队进行了实验，证明磁铁在某些情况下可以达到同样的效果。

尽管抗磁力已经广为人知并为人们所理解，但工程师们在空间应用（space applications）中的使用还没有得到充分的探索，因为重力使得这项技术很难在地球上演示。

进入德国应用空间技术和微重力中心（Center for Applied Space Technology and Microgravity简称ZARM）。在那里，凯瑟琳娜·布林克特博士正在德国航空航天中心（German Aerospace Center简称DLR）资助下进行研究，她带领团队在一个模拟微重力条件的特殊滴塔设施（special drop tower facility）进行了成功的实验测试。

在这里，研究小组开发出了一种程序，在不来梅滴塔（Bremen Drop Tower）9.2秒产生的微重力环境中，从电极表面分离气泡。这项研究首次证明，在微重力条件下，将简单的钕磁体（neodymium magnet）浸入不同类型的水溶液中，气泡可以被“吸引”和“排斥”。

这项研究可能为科学家和工程师开发氧气系统以及其他涉及液-气相变的空间研究（space research）开辟新的途径。

凯瑟琳娜·布林克特博士说，“这些影响对相分离系统的进一步发展产生了巨大的影响，例如用于长期太空任务，这表明即使在几乎没有浮力的情况下，也可以在水（光）电解槽系统中实现高效的氧气和氢气生产。”

科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder）的汉斯彼得·肖布（Hanspeter Schaub）教授表示，“经过多年的分析和计算研究，能够在德国使用这座令人惊叹的滴塔，为这一概念在零重力空间环境（zero-g space environment）中发挥作用提供了具体证据。”

这项工作由德国航空航天中心(DLR)支持，由德国联邦经济事务和能源部{ Federal Ministry for Economic Affairs and Energy (BMWi), Germany }提供资金{Grant No. DLR 50WM2150 (project LiMo)}。也得到了拉斐尔·德尔·皮诺基金会（Rafael del Pino Foundation）在其2021年杰出奖学金（2021 Excellence Fellowship）下提供的财政支持。

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Abstract

The absence of strong buoyancy forces severely complicates the management of multiphase flows in microgravity. Different types of space systems, ranging from in-space propulsion to life support, are negatively impacted by this effect. Multiple approaches have been developed to achieve phase separation in microgravity, whereas they usually lack the robustness, efficiency, or stability that is desirable in most applications. Complementary to existing methods, the use of magnetic polarization has been recently proposed to passively induce phase separation in electrolytic cells and other two-phase flow devices. This article illustrates the dia- and paramagnetic phase separation mechanism on MilliQ water, an aqueous MnSO₄ solution, lysogeny broth, and olive oil using air bubbles in a series of drop tower experiments. Expressions for the magnetic terminal bubble velocity are derived and validated and several wall–bubble and multi-bubble magnetic interactions are reported. Ultimately, the analysis demonstrates the feasibility of the dia- and paramagnetic phase separation approach, providing a key advancement for the development of future space systems.