Учёные предложили способ получения ракетного топлива для обратного полёта с Марса непосредственно из углекислого газа в атмосфере планеты. Метод основан на электрохимическом восстановлении — процессе, при котором электрический ток запускает химическую реакцию. Об этом сообщается в исследовании, опубликованном в журнале ACS Catalysis.
Технология позволяет получать метан, пригодный для использования в качестве жидкого ракетного топлива. Сегодня ряд двигателей работает на жидком кислороде и жидком метане, включая Raptor, которые устанавливаются на Starship — ракету, разрабатываемую компанией SpaceX для полётов к Марсу. «То, чем мы занимаемся, по сути, заключается в том, чтобы брать CO2 и с помощью электричества превращать его в углеродсодержащие виды топлива и химические вещества», — приводит слова Картера Расина, аспиранта Техасского университета A&M и участника исследовательской группы, сайт Space.com.
Исследование возглавил химик-инженер Ахмед Бадрелдин из Университета Миссисипи. По его словам, доставлять на Марс всё необходимое с Земли невозможно, поскольку каждый дополнительный килограмм резко увеличивает стоимость запуска и сложность преодоления земного притяжения. «Вопрос в том, как производить топливо и химические вещества, необходимые для космических исследований, из ресурсов, уже доступных на месте назначения», — отметил Бадрелдин.
Электрохимическое восстановление протекает в электролизёре: электроны движутся от отрицательно заряженного анода к положительно заряженному катоду. Вода на аноде окисляется и теряет электрон, который передаётся углекислому газу на катоде, где один из его атомов восстанавливается. Затем углерод может вступать в реакцию с водородом и кислородом, образовавшимися при расщеплении молекул воды. Материал катализатора на аноде определяет, какие углеродные соединения получатся: золото даёт монооксид углерода, а медь — более сложные вещества, включая спирты, этанол и метан.
Отличие работы команды Бадрелдина от предыдущих экспериментов состоит в создании нанометрового медного катализатора, легированного азотом. Такой катализатор позволяет получать почти чистый метан, тогда как прежние методы давали много побочных продуктов. На Земле их отделяют с помощью сложного оборудования, но доставить такие громоздкие устройства на Марс нереально. Атмосфера Марса, хотя и разреженная, на 96% состоит из углекислого газа, что делает сырьё практически неограниченным.
Метод может пригодиться и на Земле: метан можно производить из уже содержащегося в атмосфере CO2, а не добывать природный газ бурением. «Если мы сможем создавать эти продукты из уловленного CO2 и возобновляемой электроэнергии, это снизит зависимость от ископаемого углерода и поможет замкнуть углеродный цикл», — сказал Расин. Правда, при сжигании такого метана CO2 возвращается в атмосферу, то есть цикл остаётся углеродно-нейтральным, а не отрицательным. Бадрелдин считает, что технология пока не готова к тому, чтобы надолго удерживать углерод в связанном виде.