پژوهشی جدید نشان میدهد که فضانوردان میتوانند برای بازگشت از مریخ به زمین، سوخت موشک را با استفاده از تکنیکی به نام «احیای الکتروشیمیایی»، بهطور مستقیم از دیاکسید کربن موجود در جو سیاره سرخ تولید کنند.
احیای الکتروشیمیایی در اصل تکنیکی قدیمی مبتنی بر الکترولیز است؛ یعنی استفاده از جریان الکتریکی برای ایجاد واکنش شیمیایی. بااینحال، ترفند جدید میتواند متان را با خلوص کافی برای استفاده بهعنوان پیشران مایع تولید کند. امروزه تعدادی از موتورهای موشکی با اکسیژن مایع و متان مایع کار میکنند؛ از جمله موتورهای رپتور که نیروی رانش استارشیپ، موشک عظیم اسپیسایکس را تأمین میکنند.
کارتر ریسین، دانشجوی دکتری مهندسی مکانیک در دانشگاه تگزاس ایاندام و یکی از اعضای تیم پژوهش، در بیانیهای گفت: کار ما اساساً این است که دیاکسید کربن را بگیریم و با استفاده از برق، آن را به سوختها و مواد شیمیایی حاوی کربن تبدیل کنیم.
احمد بدرالدین، مهندس شیمی دانشگاه میسیسیپی و سرپرست تیم پژوهش نیز افزود: «نمیتوانیم هر چیزی را که روی مریخ نیاز داریم از زمین ببریم، زیرا هر کیلوگرم اضافه، هزینه و پیچیدگی پرتاب و غلبه بر گرانش زمین را بهشدت افزایش میدهد. بنابراین پرسش این است که چگونه میتوانیم سوختها و مواد شیمیایی موردنیاز برای اکتشافات فضایی را از منابعی که از قبل در مقصد وجود دارند، تولید کنیم؟»
یکی از پاسخها، روش احیای الکتروشیمیایی است که در دستگاهی به نام الکترولایزر انجام میشود. در این فرایند، الکترونها از آند با بار منفی به سمت کاتد با بار مثبت جریان پیدا میکنند. آب در مجاورت آند اکسید میشود (یعنی الکترون از دست میدهد) و این الکترون در سمت کاتد به دیاکسید کربن منتقل میشود. در آنجا، یکی از اتمهای دیاکسید کربن الکترون دریافت میکند و دچار فرآیندی میشود که شیمیدانان آن را «احیا» مینامند؛ بدین معنا که عدد اکسایش آن کاهش پیدا میکند. سپس این ماده میتواند با اتمهای هیدروژن و اکسیژنی که از مولکولهای آب اکسیدشده جدا شدهاند، واکنش دهد.
- 15 بهمن 03مطالعه '2
آند حاوی کاتالیزور است و انتخاب ماده کاتالیزور تعیین میکند که هنگام واکنش کربن احیاشده با هیدروژن و اکسیژن، کدام ترکیبات کربنی تولید شوند. برای مثال، استفاده از کاتالیزور طلا به تولید مونوکسیدکربن (CO) منجر میشود؛ درحالیکه مس میتواند ترکیبات پیچیدهتر از جمله الکلها، اتانول و متان (CH₄) تولید کند.
وجه تمایز کار تیم بدرالدین با آزمایشهای پیشین این است که پژوهشگران یک کاتالیزور مسی در مقیاس نانومتر، آمیختهشده با نیتروژن ساختهاند که قادر به تولید متان با خلوص بسیار بالا است.
پیش از این نیز از احیای الکتروشیمیایی دیاکسید کربن برای تولید متان در کاربردهای زمینی استفاده شده بود. مشکل این است که روشهای قبلی در کنار متان، مقدار زیادی محصول جانبی نیز تولید میکردند. روی زمین، تجهیزات پیچیدهای برای جداسازی متان از سایر ترکیبات ناخواسته در دسترس است؛ اما فضانوردان نمیتوانند چنین تجهیزات حجیمی را در مأموریت مریخ با خود ببرند، زیرا در چنین مأموریتی هر کیلوگرم بار اهمیت حیاتی دارد. از آنجایی که متان برای استفاده بهعنوان پیشران مایع موشک باید خلوص بالایی داشته باشد، این مسئله از اهمیت بالایی برخوردار است.
بااینحال، کاتالیزور مسی ویژهای که تیم بدرالدین استفاده کرده است، ترجیحاً متان تولید میکند و در مقایسه با سایر ترکیبات، سهم بسیار بیشتری از محصول نهایی را به متان اختصاص میدهد؛ در نتیجه متان با خلوص بالا و بدون نیاز به پالایش تولید میشود. از طرف دیگر، مریخ منبع فراوانی از دیاکسیدکربن دارد. هرچند جو مریخ بسیار رقیق است، ۹۶ درصد آن از دیاکسید کربن تشکیل شده است.
فناوری جدید حتی روی زمین نیز کاربردی است و میتواند برای استخراج دیاکسید کربن از جو بهکار رود
حتی اگر انسان هرگز به مریخ نرود، کاربرد این فناوری روی زمین نیز روشن است. بهجای استخراج متان از منابع زیرزمینی، میتوان آن را از دیاکسید کربنی که همین حالا در جو زمین وجود دارد، تولید کرد. به همین دلیل، پیشنهاد شده است که از احیای الکتروشیمیایی روی زمین بهعنوان روشی برای جذب و ذخیره کربن نیز استفاده شود. این تکنیک، دیاکسید کربن را که گاز گلخانهای نامطلوبی است، از جو سیاره خارج میکند.
البته مشکل اینجاست که تبدیل دیاکسید کربن به متان و سپس سوزاندن آن بهعنوان سوخت، در نهایت همان دیاکسید کربن را دوباره به جو بازمیگرداند و چرخهای با انتشار خالص صفر ایجاد میکند. در حالت ایدئال، باید دیاکسی کربن را برای مدت طولانی از جو دور نگه داشت؛ اما بدرالدین معتقد است این فناوری هنوز برای چنین کاری آماده نیست.
البته باید توجه داشت که بهترین راه برای کاهش تغییرات اقلیمی، متوقفکردن سوزاندن تمام سوختهای فسیلی، از جمله متان است. بااینحال، استفاده از متانی که از طریق احیای الکتروشیمیایی دیاکسید کربن تولید شده و در چرخهای با انتشار خالص صفر مصرف میشود، بهجای استخراج متان از منابع فسیلی، میتواند در دوره گذار از سوختهای فسیلی به منابع تجدیدپذیر مفید باشد.
پژوهش در ژورنال ACS Catalysis منتشر شده است.
