Electrochimie en orbite

Par Alyson Lanciki | Nov 30, 2020 | Analysis, Company

Depuis plus de vingt ans, il y a eu une occupation humaine continue au large de notre planète.

La Station spatiale internationale (ISS), lancée en 1998, est un satellite modulaire en orbite basse autour de la Terre, qui est visible même à l’œil nu.

Depuis le 2 novembre 2000, l’ISS dispose d’un équipage constamment renouvelable de divers pays, travaillant sur des projets visant à repousser davantage les limites de nos connaissances. En plus de leurs importantes fonctions scientifiques, ces astronautes doivent vivre leur vie quotidienne comme nous – faire de l’exercice, se détendre, nettoyer et dormir – mais en microgravité.

En octobre, une fusée Antares transportant un vaisseau de ravitaillement Cygnus a été lancée par la NASA au Centre spatial Johnson. Ce cargo transportait à bord un système expérimental utilisé pour étudier l’oxydation de l’ammoniac dans des conditions de microgravité pour convertir l’urine en eau sur l’ISS.

L’amélioration de ce système de gestion des déchets a de profondes répercussions pour des missions exploratoires plus longues où le poids de la charge utile doit être optimisé avec la quantité d’eau nécessaire (qui est lourde) pour maintenir la vie pendant le voyage. Compte tenu des ressources limitées à bord d’un vaisseau spatial, la récupération de l’eau de tous les processus est d’une grande importance.

Les futures missions qui pourraient bénéficier de cette étude incluent des voyages sur la lune (Artemis) et éventuellement sur Mars (Orion).

Ce système utilise des électrodes sérigraphiques Metrohm DropSens (ESP). Le nouveau revêtement nanomatérial des électrodes a été développé par des chercheurs de l’Université d’Alicante en Espagne en collaboration avec l’Université de Porto Rico. Dans cet article, nous aimerions présenter les personnes derrière le projet et élaborer sur les recherches qu’ils font dans l’espace avec les produits Metrohm.

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Rencontrez les chercheurs

Dr José Solla Gullón (Ph.D. 2003, Chimie)


Dr. José Solla Gullón dans son laboratoire à l’Université d’Alicante, avec Metrohm

DropSens et Metrohm Autolab produits sur le banc.

Je suis actuellement chercheur émérite à l’Institut d’électrochimie de l’Université d’Alicante,en Espagne. Mes recherches portent principalement sur la synthèse, la caractérisation et les propriétés électrochimiques de différents types de nanoparticules dont la taille, la composition, la forme et la structure de surface sont bien définies. Mon dossier de publication global comprend environ 175 publications(h-index 53). J’ai également apporté plus de 250 contributions à des réunions internationales et nationales.

Mme Camila Morales Navas


Je suis une étudiante de troisième cycle au département de chimie de l’Université de Porto Rico (UPR). Je travaille sur un projet de recherche en collaboration avec la NASA, intitulé « Elucidating the Ammonia Electrochemical Oxidation Mechanism via Electrochemical Techniques at the ISS », ou «Ammonia Electrooxidation Lab at the ISS (AELISS)» pour faire court. Le but de ce projet est d’améliorer le système de traitement de l’eau et d’identifier de nouvelles technologies pour des missions à long terme dans l’espace.

Le projet est attribué à nasa-ESPCoR, Université de Porto Rico, Université d’Alicante, NuVant Systems, et Nanoracks, avec le soutien de Metrohm DropSens.

le projet AELISS

 

 
 
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                                     Le Metrohm DropSens 8X110 carbone SPE (à gauche) et le FLWCL8X1C flow-cell (à droite).

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Installation d’instrumentation pour le projet AELISS qui a été lancé à l’ISS en octobre 2020.

COMMENT LE PROJET AELISS A-T-IL COMMENCé?

Il y a environ cinq ans, les groupes de l’Université d’Alicante et de l’Université de Porto Rico (UPR) ont commencé à travailler ensemble sur des expériences de microgravité qui les ont conduits à collaborer à nouveau pour ce projet, qui réside aujourd’hui à bord de l’ISS.

L’oxydation électrochimique de l’ammoniac en utilisant le platine comme catalyseur est une réaction bien établie, publiée pour la première fois il y a près de vingt ans par le groupe de José. L’ammoniac est extrêmement sensible à la structure de surface du platine. Cependant, c’est bien connu sur terre. Comment ce processus de réaction se comporte-t-il dans un environnement de microgravité ? Les groupes ont cherché à déterminer cela en effectuant des expériences aux États-Unis à l’aide d’un avion spécial qui imite l’apesanteur pendant de brèves périodes en volant dans un mouvement parabolique.

Au début, c’était uniquement pour la recherche, mais plus tard le groupe de Camila à Porto Rico a pensé plus à son utilisation potentielle dans l’espace. L’urée de l’urine est convertie en ammoniac, qui passe ensuite par le processus d’oxydation électrochimique, ce qui entraîne2 gaz, l’eau et l’énergie. Peut-être a-t-il été possible d’utiliser cette technologie pour améliorer le système de récupération et de recyclage de l’eau à bord de l’ISS et d’autres vaisseaux spatiaux?

Étant donné que le groupe UPR rédige souvent des propositions de recherche financées par la NASA, il connaît très bien les exigences du projet dans ce domaine, ainsi que les matériaux autorisés à bord d’une mission. Le groupe UPR travaille en collaboration avec la NASA depuis une vingtaine d’années.

La combinaison de l’expertise dans la recherche sur l’oxydation de l’ammoniac du laboratoire de José en Espagne avec la connaissance du groupe de Camila à Porto Rico sur les exigences de la NASA en matière d’ingénierie et de sécurité a rendu possible la construction et la réalisation du projet complexe AELISS. Cependant, lancer quelque chose à l’ISS n’est pas sans problèmes...

En quoi l'aeliss se différenciera-t-il des expériences similaires sur terre?

L’objectif final de cette recherche est de déterminer comment la gravité affecte l’oxydation de l’ammoniac, et aussi de tester différents catalyseurs pour la réaction en microgravité. Alors que plusieurs autres paramètres peuvent être ajustés en laboratoire tels que le pH, la forme des nanoparticules, et plus encore - la gravité est une contrainte universelle que nous ne pouvons pas éviter. Sur Terre, nous ne sommes capables d’imiter les effets de la microgravité que pendant quelques secondes avec la chute libre. La collaboration précédente entre les groupes dans ce projet consistait également à effectuer des expériences sur des vols spéciaux qui permettaient des conditions d’apesanteurs pendant moins de 15 secondes à la fois. Ce n’est certainement pas assez de temps pour tirer des conclusions à long terme, et donc la poussée pour lancer le projet en orbite. Ce n’est qu’alors qu’une véritable comparaison peut être faite, et des conclusions tirées sur les effets de la gravité et l’applicabilité future de cette technologie.

L’une des principales préoccupations concernant ce projet est de parvenir à la conversion la plus efficace de l’urine usée en eau utilisable pour des missions spatiales à long terme. Ici, le recyclage de l’eau est un point critique. En outre, il est important de noter que le produit de l’oxydation de l’ammoniac est le gaz azoté, mais le comportement des gaz n’est pas le même sur Terre que dans l’espace. Comprendre comment le N2 bulles se comportent en l’absence de gravité est une étape critique à étudier.

Le projet de recherche doctorale de Camila vise à répondre à ces questions et plus encore, en utilisant les conditions réalistes de l’espace plutôt que de courtes périodes d’apesanteur en vol. Comment les chercheurs en sont-ils venus à utiliser les produits Metrohm ?