Kometa inspiruje chemii k výrobě prodyšného kyslíku na Marsu

Sci-fi příběhy jsou plné schémat formování Země a generátorů kyslíku, a to z velmi dobrého důvodu: Lidé potřebují k dýchání molekulární kyslík (O2) a ve skutečnosti mu vesmír chybí. O2 je obtížné získat, dokonce ani na jiných planetách se silnou atmosférou.

Když tedy zkoumáme vesmír, musíme si přinést vlastní zdroj kyslíku. To není ideální, protože zvedání věcí ve vesmíru raketou vyžaduje spoustu energie a zmizí, když dojde zdroj.

Jedno místo, kde se molekulární kyslík objevuje mimo Zemi, je ve spleti plynů vycházejících z komet. Zdroj tohoto kyslíku zůstal tajemstvím až do doby před dvěma lety, kdy Konstantinos P. Giapis, profesor chemického inženýrství na Caltechu, a jeho postdoktorský přítel Yunxi Yao navrhli existenci nového chemického procesu, který by mohl vysvětlit jeho výrobu. Giapis spolu s profesorem chemie Tomem Millerem prokázali novou reakci na produkci kyslíku a jak řekl Giapis, mohl by lidem pomoci prozkoumat vesmír a možná dokonce bojovat proti změně klimatu doma. Ale zásadněji říká, že reakce představuje nový typ chemie, který byl objeven studiem komet.

Většina chemických reakcí vyžaduje energii, která se obvykle dodává jako teplo. Výzkum Giapis ukazuje, že dodáním kinetické energie mohou nastat některé neobvyklé reakce. Když jsou molekuly vody vypalovány jako extrémně malé projektily na povrchy obsahující kyslík, jako je písek nebo rez, může molekula vody tento kyslík rozložit a produkovat molekulární kyslík. K této reakci dochází v kometách, když se molekuly vody odpařují z povrchu a poté se zrychlují slunečním větrem, dokud se s vysokou rychlostí nekolidují s kometou.

Komety však také emitují oxid uhličitý (CO2). Giapis a Yao chtěli vyzkoušet, zda CO2 může také produkovat molekulární kyslík při srážkách s povrchem komety. Když našli O2 v proudu plynu vycházejícím z komety, chtěli ověřit, že reakce je podobná reakci vody. Navrhli experiment s dopadem CO2 na inertní povrch zlaté fólie, který nelze oxidovat a neměl by produkovat molekulární kyslík. O2 se však nadále šířil zlatým povrchem. To znamená, že oba atomy kyslíku pocházejí ze stejné molekuly CO2 a účinným způsobem je účinně štěpí.

“V té době jsme si mysleli, že by bylo nemožné kombinovat dva atomy kyslíku v kombinované molekule CO2, protože CO2 je lineární molekula a musíte molekulu násilně ohnout, aby to fungovalo,” říká Giapis. molekula “.

Pochopení mechanismu, kterým se CO.2 mění na molekulární kyslík, se Giapis setkal s Millerem a jeho postdoktorským přítelem Philipem Shushkovem, který navrhl počítačové simulace celého procesu. Pochopení reakce představovalo významnou výzvu kvůli možné tvorbě excitovaných molekul. Tyto molekuly mají tolik energie, že jejich atomy, které tvoří, enormně vibrují a rotují. Celý tento pohyb ztěžuje simulaci reakce v počítači, protože atomy uvnitř molekul se pohybují složitými způsoby.

„Obecně mohou vzrušené molekuly vést k neobvyklé chemii, takže jsme s tím začali,“ říká Miller. “Ale překvapivě vzrušený stav nevytvořil molekulární kyslík.” Místo toho byla molekula rozdělena na jiné produkty. Nakonec jsme viděli, že může být vytvořen a vytvořen silně ohnutý CO2 bez aktivace molekuly. O.2. “

Giapisův aparát, navržený k provádění reakce, funguje jako urychlovač částic, přeměňuje molekuly CO2 na ionty, dodává jim náboj a poté je urychluje pomocí elektrického pole, i když při mnohem nižších energiích, než jaké se nacházejí v urychlovači. částic. Dodává však, že takové zařízení není nutné, aby došlo k reakci.

„Můžete dostatečně rychle házet skálu s malým množstvím CO2 a dělat totéž,” říká. „Musí se pohybovat tak rychle, jak kometa nebo asteroid cestuje vesmírem.”

To by mohlo vysvětlit přítomnost malého množství kyslíku pozorovaného v marťanské atmosféře. Předpokládá se, že kyslík bude produkován ultrafialovým světlem ze slunce dopadajícího na CO2, ale Giapis věří, že kyslík je také produkován vysokorychlostními prachovými částicemi srážejícími se s molekulami CO2.

Doufá, že by variace jeho reaktoru mohla být použita k tomu, aby provedla totéž v užitečnějších měřítcích, možná jednoho dne jako zdroj dýchatelného vzduchu pro astronauty na Marsu, nebo v boji proti změně klimatu pomocí těžby CO2, plynu. Skleníkový efekt je mimo zemskou atmosféru a mění jej na kyslík. Připouští však, že obě aplikace jsou daleko, protože současná verze reaktoru je nedostatečně výkonná a tvoří pouze jednu nebo dvě molekuly kyslíku na každých 100 molekul CO2.

“Je to koncové zařízení?” Ne. Zařízení, které by mohlo vyřešit problém s Marsem? Ne. Ale je to zařízení, které dokáže něco, co je velmi obtížné, “říká. „S tímto reaktorem děláme bláznivé věci.“

Článek s názvem „Přímá evoluce dioxygenu s povrchy při srážkách oxidu uhličitého“ popisující zjištění týmu byl publikován v čísle 24. května. Komunikace z přírodySpoluautoři společnosti Caltech jsou profesor chemie Tom Miller, postdoktorand v chemii Philip Shushkov a bývalý postdoktorand Caltech Yunxi Yao. Výzkum je financován Společným střediskem pro národní fotosyntézu National Science Foundation a americkým ministerstvem energetiky.