Comet inspirerer til kemi til fremstilling af åndbar ilt på Mars

Science fiction-historier er fyldt med terraforming-skemaer og iltgeneratorer af en meget god grund - vi mennesker har brug for molekylær oxygen (O ₂ ) at trække vejret, og plads er i det væsentlige blottet for det. Selv på andre planeter med tyk atmosfære, O ₂ er svær at komme til.

Så, når vi udforsker rummet, vi har brug for at bringe vores egen iltforsyning. Det er ikke ideelt, fordi der skal meget energi til for at hejse ting ud i rummet oven på en raket, og når forsyningen løber tør, den er væk.

Et sted, hvor molekylær ilt optræder uden for Jorden, er i gasstråene, der strømmer fra kometer. Kilden til denne ilt forblev et mysterium indtil for to år siden, da Konstantinos P. Giapis, professor i kemiteknik ved Caltech, og hans postdoktor Yunxi Yao, foreslog eksistensen af ​​en ny kemisk proces, der kunne redegøre for dens produktion. Giapis, sammen med Tom Miller, professor i kemi, har nu demonstreret en ny reaktion for at generere ilt, som Giapis siger, kan hjælpe mennesker med at udforske universet og måske endda bekæmpe klimaændringer derhjemme. Mere grundlæggende dog han siger, at reaktionen repræsenterer en ny form for kemi opdaget ved at studere kometer.

De fleste kemiske reaktioner kræver energi, som typisk leveres som varme. Giapis' forskning viser, at nogle usædvanlige reaktioner kan opstå ved at give kinetisk energi. Når vandmolekyler skydes som ekstremt små kugler på overflader, der indeholder ilt, såsom sand eller rust, vandmolekylet kan rive den ilt af for at producere molekylær ilt. Denne reaktion sker på kometer, når vandmolekyler fordamper fra overfladen og derefter accelereres af solvinden, indtil de styrter tilbage ind i kometen med høj hastighed.

kometer, imidlertid, udsender også kuldioxid (CO ₂ ). Giapis og Yao ønskede at teste, om CO ₂ kunne også producere molekylært ilt ved kollisioner med kometens overflade. Da de fandt O ₂ i strømmen af ​​gasser, der kommer fra kometen, de ønskede at bekræfte, at reaktionen lignede vands reaktion. De designede et eksperiment for at nedbryde CO ₂ på den inaktive overflade af guldfolie, som ikke kan oxideres og ikke bør producere molekylært oxygen. Ikke desto mindre, O2 blev fortsat udsendt fra guldoverfladen. Dette betød, at begge oxygenatomer stammer fra det samme CO ₂ molekyle, effektivt opdele det på en ekstraordinær måde.

"På det tidspunkt troede vi, at det ville være umuligt at kombinere de to oxygenatomer i en CO ₂ molekyle sammen, fordi CO ₂ er et lineært molekyle, og du bliver nødt til at bøje molekylet kraftigt for at det virker, "Siger Giapis." Du gør noget virkelig drastisk ved molekylet. "

For at forstå mekanismen for, hvordan CO ₂ nedbrydes til molekylær oxygen, Giapis henvendte sig til Miller og hans postdoktor Philip Shushkov, der designede computersimuleringer af hele processen. At forstå reaktionen udgjorde en betydelig udfordring på grund af den mulige dannelse af exciterede molekyler. Disse molekyler har så meget energi, at deres bestanddele atomer vibrerer og roterer rundt i enorm grad. Al den bevægelse gør simulering af reaktionen i en computer vanskeligere, fordi atomerne i molekylerne bevæger sig på komplekse måder.

"Generelt, exciterede molekyler kan føre til usædvanlig kemi, så vi startede med det, " siger Miller. "Men, til vores overraskelse, den ophidsede tilstand skabte ikke molekylært oxygen. I stedet, molekylet nedbrydes til andre produkter. Ultimativt, vi fandt, at en stærkt bøjet CO ₂ kan også dannes uden at spændende molekylet, og det kunne producere O ₂ ."

Apparatet Giapis designet til at udføre reaktionen fungerer som en partikelaccelerator, dreje CO ₂ molekyler til ioner ved at give dem en ladning og derefter accelerere dem ved hjælp af et elektrisk felt, omend ved meget lavere energier, end der findes i en partikelaccelerator. Imidlertid, han tilføjer, at en sådan anordning ikke er nødvendig for, at reaktionen kan opstå.

"Du kunne kaste en sten med tilstrækkelig hastighed på noget CO ₂ og opnå det samme, "siger han." Den skulle rejse lige så hurtigt som en komet eller asteroide rejser gennem rummet. "

Det kunne forklare tilstedeværelsen af ​​små mængder ilt, der er blevet observeret højt i Mars atmosfære. Der har været spekulationer om, at ilten bliver genereret af ultraviolet lys fra solen, der rammer CO ₂ , men Giapis mener, at ilt også genereres af højhastighedsstøvpartikler, der kolliderer med CO ₂ molekyler.

Han håber, at en variation af hans reaktor kunne bruges til at gøre det samme på mere nyttige skalaer - måske en dag tjente som en kilde til åndbar luft for astronauter på Mars eller bruges til at bekæmpe klimaændringer ved at trække CO ₂ , en drivhusgas, ud af Jordens atmosfære og forvandler den til ilt. Han erkender, imidlertid, at begge disse applikationer er langt væk, fordi den nuværende version af reaktoren har et lavt udbytte, skaber kun et til to iltmolekyler for hver 100 CO ₂ molekyler skød gennem acceleratoren.

"Er det en endelig enhed? Nej. Er det en enhed, der kan løse problemet med Mars? Nej. Men det er en enhed, der kan noget, der er meget svært, " siger han. "Vi laver nogle skøre ting med denne reaktor."

Papiret, der beskriver holdets resultater, med titlen "Direkte dioxygenudvikling i kollisioner af kuldioxid med overflader, " vises i 24. maj-udgaven af Naturkommunikation .