ایسنا/ به باور دانشمندان، تولید سوخت موشک از هوای رقیق مریخ، امری دشوار اما شدنی است و یک پیشرفت جدید میتواند این امر را محقق کند.
نوعی الکترولیز میتواند کربن دیاکسید موجود در جو مریخ را به متان برای سوخت موشک تبدیل کند.
یک مطالعه جدید نشان میدهد که فضانوردان در آینده میتوانند با استفاده از سوخت موشکی تولیدشده از دیاکسیدکربن موجود در جو مریخ، از این سیاره به زمین بازگردند. در این روش، دیاکسیدکربن طی فرایندی به نام «کاهش الکتروشیمیایی» به ترکیبات مورد استفاده در تولید سوخت موشکی تبدیل میشود.
این یک روش قدیمی شامل الکترولیز است که شامل استفاده از جریان الکتریکی برای ایجاد یک واکنش شیمیایی است، اما این ترفند جدید متان را به اندازه کافی خالص تولید میکند تا به عنوان سوخت مایع استفاده شود.
این روزها تعدادی از موتورهای موشک، اکسیژن مایع و متان مایع را میسوزانند، از جمله رپتورهایی که موشک استارشیپ؛ موشکی که شرکت اسپیسایکس برای کمک به بشریت برای رسیدن به مریخ در حال توسعه آن است را به حرکت در میآورند.
کارتر راسین(Carter Racine)، دانشجوی دکترای مهندسی مکانیک در دانشگاه A&M تگزاس و عضو تیم تحقیقاتی که توسط احمد بدرالدین(Ahmed Badreldin)، مهندس شیمی دانشگاه میسیسیپی رهبری میشود، میگوید: کاری که ما انجام میدهیم اساساً گرفتن CO2 و استفاده از برق برای تبدیل آن به سوختها و مواد شیمیایی حاوی کربن است.
بدرالدین میگوید: شما نمیتوانید 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 ایجاد میکند. بنابراین پرسش این میشود که چگونه سوختها و مواد شیمیایی مورد نیاز برای اکتشافات فضایی را از منابع موجود در مقصد تهیه کنیم؟
یک پاسخ، کاهش الکتروشیمیایی است که در یک الکترولیزور، با جریان الکترونها از آند با بار منفی به کاتد با بار مثبت انجام میشود. آب در آند اکسید میشود، به این معنی که یک الکترون از دست میدهد که به کربن دی اکسید در کاتد منتقل میشود، جایی که یکی از اتمهای آن یک الکترون به دست میآورد و به چیزی تبدیل میشود که شیمیدانان آن را «کاهش» مینامند. به این معنی که حالت اکسیداسیون آن کاهش مییابد. سپس میتواند با اتمهای هیدروژن و اکسیژن که از مولکولهای آب اکسید شده جدا شدهاند، واکنش نشان دهد.
آند حاوی یک کاتالیزور است و انتخاب ماده برای کاتالیزور، ترکیبات مبتنی بر کربن را هنگام واکنش کربن کاهش یافته با هیدروژن و اکسیژن تعیین میکند. برای مثال، کاتالیزور طلا منجر به تولید کربن مونوکسید(CO) میشود، در حالی که مس ترکیبات پیچیدهتری از جمله الکلها، اتانول و متان(CH4) تولید میکند.
آنچه کار تیم «بدرالدین» را از آزمایشهای پیشین متمایز میکند، ابداع یک کاتالیزور مس در مقیاس نانومتری است که با نیتروژن آمیخته شده و قادر به تولید متانِ تقریباً خالص است.
پیش از این، از روش کاهش الکتروشیمیایی کربن دیاکسید برای تولید متان در کاربردهای زمینی استفاده شده است. مشکل اینجا است که آن روشها، در کنار متان، مقادیر زیادی محصولات جانبی نیز تولید میکردند.
ما روی زمین، تجهیزات پیچیدهای در اختیار داریم که متان را از سایر ترکیبات ناخواسته جدا میکنند، اما فضانوردان نمیتوانند چنین دستگاههای حجیم و سنگینی را با خود به مریخ ببرند، چرا که در آنجا هر کیلوگرم اهمیتی حیاتی دارد.
این مسئله چالشبرانگیز است، زیرا متان برای آنکه بتواند به عنوان پیشران مایع در سوخت موشک به کار رود، باید خالص باشد. با این حال، کاتالیزور مس ویژهای که این تیم تحقیقاتی به کار گرفته است، میتواند با اولویتبخشی به تولید متان نسبت به سایر ترکیبات، آن را به صورت خالص و بدون نیاز به فرآیند پالایش تولید کند.
همچنین کربن دیاکسید فراوانی در مریخ برای استفاده وجود دارد؛ اگرچه جو مریخ رقیق است، اما ۹۶ درصد آن را کربن دیاکسید تشکیل میدهد.
حتی اگر فضانوردان هرگز به مریخ نروند، کاربرد و اهمیت این روش بر روی زمین نیز آشکار است. ما میتوانیم به جای استخراج گاز طبیعی، متان را از کربن دیاکسیدی که هماکنون در جو زمین وجود دارد، تولید کنیم.
راسین میگوید: ما میخواهیم این کار را انجام دهیم، زیرا در حال حاضر بسیاری از این محصولات مبتنی بر کربن در نهایت از منابع فسیلی بکر به دست میآیند. اگر بتوانیم آنها را با استفاده از CO2 جذب شده و برق تجدیدپذیر بسازیم، میتواند وابستگی به کربن فسیلی بکر را کاهش داده و به بستن چرخه کربن کمک کند.
در نتیجه، کاهش الکتروشیمیایی نیز برای استفاده در زمین به عنوان یک تکنیک «ترسیب کربن» پیشنهاد شده است که کربن دی اکسید را از جو ما که به عنوان یک گاز گلخانهای ناخواسته عمل میکند، خارج میکند.
«ترسیب کربن» به روند ذخیره کربن موجود در هوا در خاک و گیاهان گفته میشود. این روند با ذخیره کربن از هوا باعث میشود که از میزان گاز گلخانهای کربن دیاکسید کاسته شده و به بهبود کیفیت هوا کمک کند.
ترسیب کربن به معنای رسوب دادن و تخلیه کربن موجود در جو است. به عبارت دیگر به جذب کربن دیاکسید اضافی موجود در جو که توسط بخش هوایی و زمینی گیاهان (ریشه)، بقایای گیاهان و جلبکها انجام میشود که در کاهش آثارِ بدِ پدیده گرمایش جهانی نقش دارد. دو نوع اصلی ترسیب کربن وجود دارد که شامل زمینشناسی و بیولوژیک است که ترسیب زیستی نیز نامیده میشود.
مشکل این است که تبدیل کربن دیاکسید به متان برای سوختن به عنوان سوخت، آن کربن دیاکسید را مستقیماً در یک چرخه خالص صفر به جو آزاد میکند. در حالت ایدهآل، ما میخواهیم آن کربن دیاکسید را برای مدت طولانی از جو دور نگه داریم، اما بدرالدین فکر نمیکند که این فناوری هنوز آماده باشد.
وی میگوید: آنچه در نهایت به آن علاقهمندیم، این است که ببینیم آیا میتوانیم فراتر از بازیافت ساده CO2 و به سمت مسیرهایی که خالص منفی هستند، حرکت کنیم. این به معنای استفاده از CO2 به عنوان منبع کربن در حالی است که آن را به محصولاتی تبدیل کنیم که کربن در آنها ذخیره میشود یا به اندازه کافی استفاده میشود که بلافاصله به جو آزاد نشود.
بهترین راهکار برای کاهش تغییرات اقلیمی، توقف کامل سوزاندن سوختهای فسیلی، از جمله متان است. با این حال، استفاده از متانِ حاصل از فرآیند الکتروشیمیاییِ کاهش کربن دیاکسید در چرخهای با آلایندگی خالص صفر بهجای استخراج آن از طریق حفاری میتواند در دوران گذار از سوختهای فسیلی به منابع تجدیدپذیر مفید واقع شود.
این پژوهش در نشریه «ACS Catalysis» منتشر شده است.
