Создание ракетного топлива на Марсе: как углекислый газ может стать ключом к возвращению на Землю

Астронавты могут использовать углекислый газ из атмосферы Марса для производства ракетного топлива, необходимого для возвращения на Землю. Это стало возможным благодаря технике, известной как электрохимическое восстановление, о чем сообщает недавнее исследование. Данный метод, основанный на электролизе, подразумевает применение электрического тока для запуска химической реакции, однако новая разработка позволяет получать метан, достаточно чистый для использования в качестве жидкого топлива.

Принципы электрохимического восстановления

"Наша работа заключается в том, чтобы взять CO2 и с помощью электричества преобразовать его в углеродсодержащие топлива и химикаты", — отметил Картер Расин, аспирант механической инженерии в Техасском университете A&M и член исследовательской группы, возглавляемой химическим инженером из Университета Миссисипи Ахмедом Бадрелдином. Он добавил, что невозможно доставить на Марс все необходимые материалы с Земли, так как каждый дополнительный килограмм увеличивает стоимость и сложность запуска. Электрохимическое восстановление происходит в электролизере, где электроны движутся от анода к катоду. Вода на аноде окисляется, теряя электрон, который затем передается углекислому газу на катоде. Один из атомов углерода получает электрон и становится "восстановленным", что позволяет ему реагировать с водородом и кислородом, выделившимися из окисленной воды.

Роль катализаторов

Ключевым элементом процесса является катализатор, который определяет, какие углеродные соединения будут производиться. Например, использование золотого катализатора приводит к образованию угарного газа (CO), в то время как медный катализатор позволяет получать более сложные соединения, включая спирты, этанол и метан (CH4). Команда Бадрелдина разработала медный катализатор на нанометровом уровне, легированный азотом, который способен производить почти чистый метан.

Преимущества нового подхода

Ранее электрохимическое восстановление углекислого газа использовалось для производства метана на Земле, но эти методы часто давали много побочных продуктов. На Земле существуют сложные устройства, которые отделяют метан от нежелательных соединений, однако астронавты не смогут взять такие громоздкие устройства на Марс, где каждый килограмм имеет значение. Для использования метана в качестве жидкого ракетного топлива его чистота критически важна. Специфический медный катализатор, использованный командой Бадрелдина, позволяет получать метан с минимальным количеством побочных продуктов, что делает его пригодным для использования без дополнительной переработки. На Марсе достаточно углекислого газа: хотя атмосфера планеты разреженная, она на 96% состоит из CO2.

Перспективы применения на Земле

Даже если астронавты никогда не отправятся на Марс, полезность этой технологии на Земле очевидна. Вместо того чтобы добывать природный газ, мы можем создавать метан из углекислого газа, уже находящегося в нашей атмосфере. "Мы стремимся к этому, потому что многие углеродосодержащие продукты в настоящее время получают из первичных ископаемых ресурсов", — отметил Расин. Использование захваченного CO2 и возобновляемой электроэнергии может снизить зависимость от первичных ископаемых углеродов и помочь закрыть углеродный цикл.

Вызовы и будущее технологии

Тем не менее, преобразование углекислого газа в метан для сжигания в качестве топлива просто возвращает этот углекислый газ обратно в атмосферу, создавая нулевой цикл. Идеально было бы запереть углекислый газ подальше от атмосферы на длительный срок, но Бадрелдин считает, что технология пока не готова к этому. "Мы в конечном итоге заинтересованы в том, чтобы выяснить, можем ли мы перейти от простого переработки CO2 к путям, которые будут иметь отрицательный баланс", — добавил он. Следует отметить, что лучший способ борьбы с изменением климата — это прекратить сжигание всех ископаемых видов топлива, включая метан. Однако использование метана, созданного путем электрохимического восстановления углекислого газа, в нулевом процессе, а не его добыча, может помочь в переходе от ископаемых видов топлива к возобновляемым ресурсам. Исследование, освещающее эту работу, было опубликовано в апреле в журнале ACS Catalysis.