Астронавты могли бы вернуться на Землю с Марса, используя ракетное топливо, полученное напрямую из углекислого газа в атмосфере Красной планеты с помощью метода, известного как электрохимическое восстановление, сообщает недавнее исследование.
Это старый метод, включающий электролиз — применение электрического тока для управления химической реакцией, но новый трюк позволяет получать метан достаточно чистым для использования в качестве жидкого ракетного топлива. (Ряд ракетных двигателей в наши дни сжигают жидкий кислород и жидкий метан — включая Raptor, которые приводят в движение Starship, ракету, разрабатываемую SpaceX для помощи человечеству в достижении Марса.)
«Работа, которую мы делаем, по сути, заключается в том, чтобы брать CO₂ и использовать электричество для превращения его в углеродсодержащие виды топлива и химические вещества», — сказал Картер Расин в заявлении. Расин — аспирант по машиностроению в Техасском университете A&M и член исследовательской группы, которую возглавлял химик-инженер Университета Миссисипи Ахмед Бадрельдин.
«Вы не можете привезти всё необходимое [на Марс] с Земли, потому что каждый дополнительный килограмм добавляет огромные затраты и сложность к запуску и преодолению земной гравитации, — добавил Бадрельдин. — Поэтому вопрос становится таким: как нам производить топливо и химические вещества, необходимые для космических исследований, из ресурсов, уже доступных в месте назначения?»
Один из ответов — электрохимическое восстановление, которое происходит в электролизёре, где электроны текут от отрицательно заряженного анода к положительно заряженному катоду. Вода на аноде окисляется, то есть теряет электрон, который передаётся углекислому газу на катоде, где один из его атомов приобретает электрон и становится тем, что химики называют «восстановленным» (то есть его степень окисления понижается). Затем он может реагировать с атомами водорода и кислорода, которые отделились от окисленных молекул воды.
Анод содержит катализатор, и выбор материала для катализатора определяет, какие углеродсодержащие соединения образуются, когда восстановленный углерод реагирует с водородом и кислородом. Например, золотой катализатор приводит к образованию угарного газа (CO), тогда как медь производит более сложные соединения, включая спирты, этанол и метан (CH₄).
Что отличает работу команды Бадрельдина от предыдущих экспериментов, так это то, что они разработали нанометровый медный катализатор, легированный азотом, который способен производить почти чистый метан.
Электрохимическое восстановление углекислого газа использовалось для производства метана и раньше, в земных применениях. Проблема в том, что эти методы производили много побочных продуктов вместе с метаном. На Земле у нас есть сложное оборудование, которое отделяет метан от других нежелательных соединений, но астронавты не смогут взять такие громоздкие устройства на Марс, когда каждый килограмм на счету. Это проблема, потому что для использования метана в качестве жидкого ракетного топлива он должен быть чистым.
Однако конкретный медный катализатор, использованный командой Бадрельдина, способен преимущественно производить метан вместо других соединений, создавая его чистым без необходимости очистки. И на Марсе доступно много углекислого газа: хотя атмосфера Марса разрежена, она на 96% состоит из углекислого газа.
Даже если астронавты никогда не полетят на Марс, полезность этой технологии на Земле очевидна. Вместо бурения для добычи этого природного газа мы можем создавать метан из углекислого газа, уже находящегося в нашей атмосфере.
«Мы хотим делать это, потому что прямо сейчас многие из этих углеродсодержащих продуктов в конечном итоге происходят из первичных ископаемых ресурсов, — сказал Расин. — Если мы сможем производить их, используя уловленный CO₂ и возобновляемую электроэнергию, это могло бы снизить зависимость от первичного ископаемого углерода и помочь замкнуть углеродный цикл».
Следовательно, электрохимическое восстановление также предлагалось для использования на Земле в качестве метода связывания углерода, извлекая углекислый газ из нашей атмосферы, где он действует как нежелательный парниковый газ.
Проблема с этим в том, что преобразование углекислого газа в метан для сжигания в качестве топлива просто высвобождает этот углекислый газ обратно в атмосферу в net-zero цикле. В идеале мы хотим запереть этот углекислый газ вдали от атмосферы на длительный период, но Бадрельдин не думает, что технология ещё готова.
«Что нас в конечном итоге интересует, так это посмотреть, сможем ли мы выйти за рамки простой переработки CO₂ и перейти к путям, которые являются net-negative, — сказал он. — Это означает использование CO₂ в качестве источника углерода при преобразовании его в продукты, где углерод хранится или используется достаточно долго, чтобы он не высвобождался немедленно обратно в атмосферу».
Следует отметить, что лучший способ смягчить изменение климата — прекратить сжигание всех ископаемых видов топлива, включая метан. Однако использование метана, созданного путём электрохимического восстановления углекислого газа в net-zero процессе, вместо бурения для его добычи, могло бы помочь в переходный период от ископаемого топлива к возобновляемым ресурсам.
Исследование, сообщающее об этой работе, было опубликовано в апреле в журнале ACS Catalysis.
Источники и материалы для дальнейшего чтения
Материал подготовлен на основе публикации Space.com, заявлений Картера Расина (Техасский университет A&M) и Ахмеда Бадрельдина (Университет Миссисипи), а также исследования, опубликованного в апреле в журнале ACS Catalysis.
Изображение: NASA.
В нашем Telegram‑канале, вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
Поделитесь:
Оставьте Комментарий