بلیت مریخ دیگر یکطرفه نیست؛ فناوری جدید از جو سیاره سرخ سوخت موشک میسازد
زومیت: محققان روش جدیدی بر اساس الکترولیز ابداع کرده اند که می تواند دی اکسید کربن موجود در جو مریخ را با خلوص بالا به متان تبدیل کند.
تحقیقات جدید نشان می دهد که فضانوردان می توانند از تکنیکی به نام «بازسازی الکتروشیمیایی» برای سوخت گیری مستقیم موشک ها از مریخ برای بازگشت به زمین استفاده کنند. دی اکسید کربن در جو سیاره سرخ تولید می کند.
بازسازی الکتروشیمیایی اساساً یک تکنیک قدیمی مبتنی بر الکترولیز است. یعنی استفاده از جریان الکتریکی برای ایجاد یک واکنش شیمیایی. با این حال، ترفند جدید می تواند متان با خلوص کافی برای استفاده به عنوان پیشران مایع تولید کند. امروزه تعدادی از موتورهای موشک با اکسیژن مایع و متان مایع کار می کنند. از جمله موتورهای رپتور که نیروی رانش استارشیپ، موشک عظیم اسپیس ایکس را فراهم میکنند.
«کار ما اساساً این است که دی اکسید کربن را دریافت کنیم و از الکتریسیته برای تبدیل آن به سوخت و مواد شیمیایی حاوی کربن استفاده کنیم.
احمد بدرالدین، مهندس شیمی در دانشگاه می سی سی پی و سرپرست تیم تحقیقاتی، افزود: “ما نمی توانیم هر آنچه را که در مریخ نیاز داریم از زمین برداریم، زیرا هر کیلوگرم اضافی هزینه و پیچیدگی پرتاب و غلبه بر گرانش زمین را به شدت افزایش می دهد. بنابراین سوال این است که چگونه می توانیم سوخت ها و مواد شیمیایی مورد نیاز برای اکتشاف فضایی را از منابعی که در حال حاضر برای اکتشاف فضایی نیاز دارند، تولید کنیم؟
یکی از پاسخ ها روش بازسازی الکتروشیمیایی است که در دستگاهی به نام الکترولیز انجام می شود. در این فرآیند، الکترون ها از آند با بار منفی به کاتد با بار مثبت جریان می یابند. آب در نزدیکی آند اکسید می شود (یعنی یک الکترون از دست می دهد) و این الکترون به سمت کاتد منتقل می شود. دی اکسید کربن منتقل می شود. در آنجا یکی از اتمها دیاکسید کربن الکترونها را دریافت میکند و فرآیندی را طی میکند که شیمیدانها آن را «بازسازی» مینامند. یعنی عدد اکسیداسیون آن کاهش می یابد. سپس این ماده می تواند با اتم های هیدروژن و اکسیژن که از مولکول های اکسید شده آب جدا شده اند واکنش نشان دهد.
آند حاوی کاتالیزور است و افق میهن ماده کاتالیزور تعیین می کند که کدام ترکیبات کربنی هنگام واکنش کربن احیا شده با هیدروژن و اکسیژن تولید می شود. به عنوان مثال، استفاده از کاتالیزور طلا منجر به تولید مونوکسید کربن (CO) می شود. در حالی که مس می تواند ترکیبات پیچیده تری از جمله الکل ها، اتانول و متان (CH4) تولید کند.
تفاوت کار تیم بدرالدین با آزمایش های قبلی در این است که محققان یک کاتالیزور مسی در مقیاس نانومتری مخلوط با نیتروژن ایجاد کردند که قادر به تولید متان با خلوص بسیار بالا است.
پیش از این نیز از دی اکسید کربن برای تولید متان در کاربردهای زمینی از بازسازی الکتروشیمیایی استفاده می شد. مشکل این است که روش های قبلی علاوه بر متان، محصولات جانبی زیادی تولید می کردند. در زمین، تجهیزات پیچیده ای برای جداسازی متان از سایر ترکیبات ناخواسته موجود است. اما فضانوردان نمی توانند چنین تجهیزات حجیمی را در ماموریت مریخ با خود حمل کنند، زیرا در چنین ماموریتی هر کیلوگرم محموله از اهمیت حیاتی برخوردار است. از آنجایی که متان برای استفاده به عنوان پیشران موشک مایع باید خلوص بالایی داشته باشد، این موضوع از اهمیت بالایی برخوردار است.
با این حال، کاتالیزور مسی ویژه ای که توسط تیم بدرالدین استفاده می شود، ترجیحاً متان تولید می کند و در مقایسه با سایر ترکیبات، سهم بسیار بیشتری از محصول نهایی را به متان اختصاص می دهد. در نتیجه متان با خلوص بالا بدون نیاز به پالایش تولید می شود. از سوی دیگر، مریخ منبع فراوانی از دی اکسید کربن است. اگرچه جو مریخ بسیار نازک است، اما ۹۶ درصد آن را دی اکسید کربن تشکیل می دهد.
حتی اگر انسان ها هرگز به مریخ نروند، کاربرد این فناوری در زمین مشخص است. بهجای استخراج متان از منابع زیرزمینی، میتوان آن را از دیاکسید کربنی تولید کرد که در حال حاضر در جو زمین وجود دارد. به همین دلیل، استفاده از بازسازی الکتروشیمیایی روی زمین به عنوان روشی برای جذب و ذخیره کربن پیشنهاد شده است. این تکنیک دی اکسید کربن را که یک گاز گلخانه ای نامطلوب است از جو سیاره حذف می کند.
البته مشکل اینجاست که تبدیل دیکربن دیاکسید به متان و سپس سوزاندن آن بهعنوان سوخت، در نهایت همان دیاکسید کربن را دوباره وارد جو میکند و چرخهای با انتشار خالص صفر ایجاد میکند. در حالت ایدهآل، باید اکسیژن کربن را برای مدت طولانی از جو خارج کند. اما بدرالدین معتقد است که این فناوری هنوز برای چنین کاری آماده نیست.
البته باید توجه داشت که بهترین راه برای کاهش تغییرات آب و هوایی، توقف سوزاندن تمامی سوخت های فسیلی از جمله متان است. با این حال، استفاده از متان از طریق کاهش الکتروشیمیایی دی اکسید کربن در چرخه ای با انتشار خالص صفر تولید و مصرف می شود، به جای استخراج متان از منابع فسیلی، می تواند در گذار از سوخت های فسیلی به منابع تجدید پذیر مفید باشد.
