ساخت سوخت موشک از هوای رقیق مریخ: پیشرفت جدیدی می تواند آن را محقق کند

مطالعه اخیر گزارش می دهد که فضانوردان می توانند با استفاده از سوخت موشک تبدیل شده مستقیما از دی اکسید کربن موجود در جو سیاره سرخ و با استفاده از تکنیکی به نام کاهش الکتروشیمیایی از مریخ به زمین برگردند.

این یک روش قدیمی است که شامل الکترولیز است، که استفاده از جریان الکتریکی برای ایجاد یک واکنش شیمیایی است، اما این ترفند جدید متان را به اندازه کافی خالص تولید می کند که به عنوان پیشران مایع مورد استفاده قرار گیرد. (تعدادی از موتورهای موشک این روزها اکسیژن مایع و متان مایع را می سوزانند - از جمله Raptors که نیروی Starship را تامین می کند، موشک SpaceX در حال توسعه برای کمک به بشریت برای رسیدن به مریخ است.)

کارتر راسین در بیانیه‌ای گفت: «کاری که ما انجام می‌دهیم اساسا مصرف CO2 و استفاده از الکتریسیته برای تبدیل آن به سوخت‌های حاوی کربن و مواد شیمیایی است. راسین دکترا است. دانشجوی رشته مهندسی مکانیک در دانشگاه A&M تگزاس و یکی از اعضای تیم مطالعه که توسط مهندس شیمی دانشگاه می سی سی پی احمد بدرالدین رهبری می شد. بدرالدین افزود: "شما نمی توانید هر آنچه را که [در مریخ] نیاز دارید از زمین بیاورید، زیرا هر کیلوگرم اضافی هزینه و پیچیدگی زیادی برای پرتاب و فرار از گرانش زمین می افزاید."

بنابراین این سوال پیش می‌آید که چگونه سوخت‌ها و مواد شیمیایی مورد نیاز برای اکتشاف فضایی را از منابع موجود در مقصد بسازیم؟

یکی از پاسخ ها کاهش الکتروشیمیایی است که در یک الکترولیز انجام می شود و الکترون ها از آند با بار منفی به کاتد با بار مثبت جریان می یابند. آب در آند اکسید می شود، به این معنی که یک الکترون را از دست می دهد، که به دی اکسید کربن در کاتد منتقل می شود، جایی که یکی از اتم های آن یک الکترون به دست می آورد و به چیزی تبدیل می شود که شیمیدانان به آن "کاهش" می گویند (به این معنی که حالت اکسیداسیون آن کاهش می یابد). سپس می تواند با اتم های هیدروژن و اکسیژن که از مولکول های آب اکسید شده جدا شده اند واکنش نشان دهد.

آند حاوی یک کاتالیزور است و انتخاب ماده برای کاتالیزور دیکته می کند که چه ترکیبات مبتنی بر کربن در هنگام واکنش کربن احیا شده با هیدروژن و اکسیژن تولید می شود. به عنوان مثال، یک کاتالیزور طلا منجر به تولید مونوکسید کربن (CO) می شود، در حالی که مس ترکیبات پیچیده تری از جمله الکل، اتانول و متان (CH4) تولید می کند.

چیزی که کار تیم Badreldin را از آزمایش‌های قبلی متمایز می‌کند این است که آنها یک کاتالیزور مسی در مقیاس نانومتری با نیتروژن ساخته‌اند که قادر به تولید متان تقریبا خالص است.

احیای الکتروشیمیایی دی اکسید کربن قبلا برای تولید متان در کاربردهای روی زمین استفاده شده است. مشکل این است که این روش ها در کنار متان، محصولات جانبی زیادی تولید کرده اند. ما روی زمین تجهیزات پیچیده‌ای داریم که متان را از سایر ترکیبات ناخواسته جدا می‌کند، اما فضانوردان نمی‌توانند چنین دستگاه‌های غیرقابل تحملی را با هر کیلوگرم به مریخ ببرند. این یک مشکل است، زیرا برای استفاده از متان به عنوان پیشران مایع در سوخت موشک، باید خالص باشد.

ناسا می خواهد در اواخر دهه 2030 یا اوایل دهه 2040 فضانوردانی را به مریخ بفرستد. (اعتبار تصویر: ناسا) با این حال، کاتالیزور مس خاصی که توسط تیم بادرالدین استفاده می‌شود، می‌تواند ترجیحا متان را نسبت به سایر ترکیبات تولید کند و در نتیجه آن را بدون نیاز به پالایش خالص ایجاد کند. و مقدار زیادی دی اکسید کربن در مریخ برای استفاده وجود دارد: در حالی که اتمسفر مریخ نازک است، با این وجود 96٪ از دی اکسید کربن تشکیل شده است.

حتی اگر فضانوردان هرگز به مریخ نروند، سودمندی این تکنیک در زمین مشخص است. به جای حفاری برای این گاز طبیعی، می توانیم متان را از دی اکسید کربن موجود در جو خود ایجاد کنیم.

راسین گفت: "ما می خواهیم این کار را انجام دهیم زیرا در حال حاضر بسیاری از این محصولات مبتنی بر کربن در نهایت از منابع فسیلی بکر به دست می آیند." اگر بتوانیم آنها را با استفاده از CO2 جذب شده و الکتریسیته تجدیدپذیر بسازیم، می تواند اتکا به کربن فسیلی بکر را کاهش دهد و به بسته شدن چرخه کربن کمک کند.

در نتیجه، کاهش الکتروشیمیایی نیز برای استفاده در زمین به عنوان یک تکنیک ترسیب کربن پیشنهاد شده است، که دی اکسید کربن را از جو ما خارج می کند، جایی که به عنوان یک گاز گلخانه ای ناخواسته عمل می کند. مشکل این است که تبدیل دی اکسید کربن به متان برای سوزاندن به عنوان سوخت، به سادگی آن دی اکسید کربن را مستقیما در اتمسفر در یک چرخه خالص صفر آزاد می کند. در حالت ایده‌آل، ما می‌خواهیم این دی اکسید کربن را برای مدت طولانی از اتمسفر دور کنیم، اما بدرالدین فکر نمی‌کند این فناوری هنوز آماده باشد.

او گفت: "چیزی که در نهایت به آن علاقه مندیم این است که ببینیم آیا می توانیم از بازیافت CO2 صرفا و به سمت مسیرهایی که خالص منفی هستند حرکت کنیم یا خیر." این بدان معناست که از CO2 به عنوان منبع کربن در حالی که آن را به محصولاتی تبدیل می‌کنیم که کربن در آن ذخیره می‌شود یا به اندازه کافی مورد استفاده قرار می‌گیرد که بلافاصله دوباره به اتمسفر آزاد نشود.»

لازم به ذکر است که بهترین راه برای کاهش تغییرات اقلیمی، توقف سوختن تمام سوخت های فسیلی از جمله متان است. با این حال، استفاده از متان ایجاد شده از کاهش الکتروشیمیایی دی اکسید کربن در یک فرآیند خالص صفر به جای حفاری برای آن می تواند در طول انتقال از سوخت های فسیلی به منابع تجدید پذیر کمک کند.

مطالعه گزارش این تحقیق در ماه آوریل در مجله ACS Catalysis منتشر شد.