磁力驱动微重力环境下水电解效率提升：新型无移动部件相分离技术的突破

为解决国际空间站等微重力环境中因浮力缺失导致的水电解效率低下问题，研究人员创新性地利用商用钕磁体产生的磁流体动力学(MHD)和磁极化(MP)效应，开发出两种无移动部件的电解槽架构。实验证明该技术可使氢析出反应(HER)电流密度提升240%，实现被动式气液分离，为载人航天生命支持系统提供了轻量化、高可靠性的解决方案。

　　

在人类探索宇宙的征程中，如何高效制备氧气和氢气始终是维持生命的关键难题。国际空间站现有的水电解系统依赖复杂的离心装置，不仅能耗高达1.5千瓦，更因机械部件频繁故障威胁任务安全。更棘手的是，微重力环境下气泡无法自然脱离电极，形成阻碍反应的泡沫层——这个问题让科学家们头疼了半个多世纪。

《Nature Chemistry》最新发表的研究带来革命性解决方案：用一块普通磁铁就能让电解效率飙升240%。álvaro Romero-Calvo团队发现，当钕磁体靠近电解池时会产生双重效应：磁流体动力学(MHD)力推动电解液旋转，而磁极化(MP)力则像"太空吸尘器"将气泡吸向磁极。这种协同作用在德国不莱梅微重力塔的9.3秒自由落体实验中大放异彩，铂网电极的氢析出电流密度从160.7 mA cm^-2跃升至385.3 mA cm^-2。

研究团队运用三项核心技术：1）在ZARM落塔开展微重力电化学测试，同步采集高速摄像与电化学数据；2）构建质子交换膜(PEM)模型电解槽，利用磁极化实现无泵气液分离；3）开发圆柱形MHD驱动装置，通过洛伦兹力诱导涡旋分离。

磁电化学表征

对比铂箔与铂网电极在1 M HClO₄电解液中的表现发现：微重力下未加磁场时电流密度比地面低30%，而N52钕磁体可使铂网HER电流提升2.4倍。IrOx阳极的氧析出反应(OER)同样受益，证实磁场能有效减薄扩散边界层。

气泡演化动力学

高速摄影显示：无磁场时气泡聚集成静态泡沫层，施加磁场后直径1mm的氢气泡以2.77 mm s^-1速度螺旋飞向磁极。计算表明磁极化加速度达10-100 mm s^-2，而MHD涡流加速度可达250 mm s^-2。

质子交换膜电解

创新设计的PEM槽体两侧布置磁体，成功在纯水中实现气泡定向迁移。磁模拟显示磁场梯度达0.6 T时，气泡终端速度与理论预测吻合，验证了无运动部件分离方案的可行性。

MHD驱动架构

八段弧磁体组装的环形电解槽在105 mA cm^-2电流下产生55/36π rad s^-1角速度，气泡径向速度达1.25 cm s^-1。功耗仅0.1 mW，比传统离心系统能耗降低三个数量级。

这项研究颠覆性地证明：商用磁体即可解决太空电解的核心难题。两种架构中，PEM方案适合小流量应用，而MHD驱动能满足高产量需求。该技术不仅使电解效率接近地面水平，更消除了90%的故障风险点，为火星任务提供了关键技术支持。专利保护的磁控相分离技术，或将改写未来航天生命支持系统的设计范式。