Kategorie
Kosmologia

Chemia na potrzeby osadników

Chemia na potrzeby osadników

Podobnie jak dawni osadnicy musieli wiedzieć, w których miejscach można znaleźć jadalne rośliny, i znać metody polowania na zwierzynę obecną na ich terenach, tak osadnicy ery kosmicznej będą musieli opanować sztukę wydobywania niezbędnych surowców w swoim nowym otoczeniu. Poniżej znajduje się krótkie kompendium podstawowych metod.

Na Księżycu

Na Księżycu tlen można uzyskać z ilmenitu, którego zawartość w glebie księżycowej sięga nawet 10%. Potrzebna reakcja to:

Wyprodukowana woda jest następnie poddawana procesowi elektrolizy. Otrzymujemy w ten sposób wodór, który jest kierowany z powrotem do reaktora, oraz tlen, który jest produktem netto procesu. Wykonalność takiego systemu została zademonstrowana przez naukowców pracujących w Carbotek w Houston, w stanie Teksas. Jeżeli nie chce ci się szukać ilmenitu, możesz spróbować redukcji karbotermicznej, procesu opracowanego przez Sandersa Rosenberga z Aerojet. Proces ten zadziała w wypadku wielu różnych skał księżycowych, w tym bardzo powszechnych krzemianów:

Woda jest poddawana elektrolizie, by uzyskać tlen, podczas gdy tlenek węgla i wodór służą do ponownej produkcji metanu:

Reakcje 2 powyżej tej są bardzo endotermiczne (potrzebują dopływu energii) i muszą być przeprowadzane w wysokiej temperaturze (ponad 1000°C). Reakcja ta jest egzotermiczna (wydziela energię) i przebiega gwałtownie w temperaturze 400°C. Węgiel i wodór są pierwiastkami bardzo rzadkimi na Księżycu, więc zaproponowane systemy należy tak zaprojektować, by w obiegu występowały jak najmniejsze ich straty.

Na Marsie

Na Marsie najłatwiej dostępnym surowcem jest jego atmosfera, z której można produkować paliwo, tlen oraz wodę na wiele sposobów. Najprościej jest przywieźć trochę wodoru z Ziemi i wprowadzić go w reakcję z CO2, stanowiącym 95% marsjańskiego powietrza:

Reakcja nosi nazwę reakcji Sabatiera i była wykorzystywana na masową skalę przez przemysł chemiczny od roku 1890. Jest ona egzotermiczna, zachodzi szybko w temperaturze 400°C i by prawidłowo przebiegała, potrzeba katalizatora w postaci płytek aluminiowych napylonych rutenem. Po raz pierwszy zademonstrowałem mały system, nadający się do wykorzystania na Marsie i łączący tę reakcję z elektrolizą wody, w 1993 roku, gdy pracowałem w Martin Marietta w Denver. Uzyskiwany w reakcji metan stanowi wspaniałe paliwo rakietowe. Woda może służyć do picia lub zostać poddana elektrolizie, by uzyskać utleniacz do paliwa albo tlen konsumpcyjny. Wodór wraca do obiegu, by ponownie wziąć udział w reakcji.

Innym systemem, który został zademonstrowany i który pozwala na wykorzystywanie zasobów marsjańskich, jest bezpośrednie rozbicie CO2 przy użyciu cyrkonowych ogniw elektrolitycznych. Zachodzi wówczas reakcja:

Reakcja jest bardzo endotermiczna i wymaga użycia ceramicznych komponentów o wysokiej odporności na temperaturę, mogących pracować przy 1000°C. Wykonalność takiego systemu zademonstrował po raz pierwszy Robert Ash z Jet Propulsion Laboratory pod koniec lat siedemdziesiątych XX wieku, a wydajność tego typu układów została od tego czasu znacznie poprawiona przez Kumara Ramohali i K. R. Sridharę z Uniwersytetu Arizony. Największa zaleta tej reakcji polega na tym, że nie wymaga ona użycia żadnych reagentów. Wadą natomiast jest ogromne zapotrzebowanie na energię – około 5 razy większe niż przy reakcji Sabatiera z elektrolizą.

Jeszcze inną metodą produkcji paliwa na Marsie jest reakcja RWGS (Reverse Water Gas Shift, czyli odwrócona reakcja przemiany woda-gaz):

Reakcja jest lekko endotermiczna i znana chemikom od XIX wieku. Jej przewaga nad reakcją Sabatiera polega na tym, że cały wodór zostaje związany w cząsteczkach wody, z których łatwo go wydobyć w procesie elektrolizy i ponownie wprowadzić do obiegu, co pozwala na wyprodukowanie prawie nieskończonej ilości tlenu przy użyciu ograniczonej ilości wodoru. Reakcja zachodzi dość gwałtownie w temperaturze 400°C. Ale jej stała równowagi jest niska, co oznacza, że rzadko przebiega do końca. Jest to istotna wada w porównaniu z reakcją reakcją Sabatiera, która nie powoduje takich problemów.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *