Учёные предложили способ получения ракетного топлива на Марсе из углекислого газа, который содержится в атмосфере планеты. Метод основан на электрохимическом восстановлении — процессе, при котором электрический ток запускает химическую реакцию. В результате удаётся получить метан, пригодный для использования в качестве жидкого ракетного топлива. Об этом сообщает портал Space.com.
Технология электролиза известна давно: через электролизёр пропускают ток, и электроны движутся от отрицательно заряженного анода к положительно заряженному катоду. На аноде вода окисляется и теряет электрон, который затем передаётся молекуле углекислого газа на катоде. В результате атом углерода восстанавливается и может вступать в реакцию с водородом и кислородом, образовавшимися при расщеплении воды. Как пояснил в интервью Картер Расин, аспирант Техасского университета A&M и участник исследовательской группы, суть работы заключается в том, чтобы с помощью электричества превращать CO2 в углеродсодержащее топливо и химические вещества.
Исследование возглавил химик-инженер Ахмед Бадрельдин из Университета Миссисипи. По его словам, доставлять с Земли всё необходимое для марсианских миссий невозможно, поскольку каждый лишний килограмм груза резко увеличивает стоимость запуска и сложность преодоления земного притяжения. Поэтому ключевой вопрос — как производить топливо и химикаты для космических экспедиций из ресурсов, уже имеющихся на месте. Атмосфера Марса хоть и разрежена, но на 96% состоит из углекислого газа, что делает её подходящим сырьём.
Выбор материала катализатора на аноде определяет, какие именно углеродные соединения образуются в ходе реакции. Например, золотой катализатор приводит к получению угарного газа, а медный — более сложных веществ, включая спирты, этанол и метан. Особенность работы команды Бадрельдина в том, что они создали медный катализатор нанометрового масштаба, легированный азотом. Такой катализатор позволяет получать практически чистый метан, тогда как прежние методы давали много побочных продуктов, требовавших отделения с помощью громоздкого оборудования.
Ранее электрохимическое восстановление CO2 уже применялось на Земле для производства метана, однако для использования в качестве жидкого ракетного топлива он должен быть чистым. Разработанный катализатор обеспечивает преимущественное образование метана без необходимости дополнительной очистки. Технология может пригодиться и на Земле: метан можно синтезировать из углекислого газа, уже присутствующего в атмосфере, вместо добычи природного газа бурением. По словам Расина, если производить такие углеродные продукты из уловленного CO2 и возобновляемой электроэнергии, это снизит зависимость от ископаемого углерода и поможет замкнуть углеродный цикл.
Электрохимическое восстановление рассматривают и как способ связывания углерода. Однако при превращении CO2 в метан с последующим сжиганием углерод возвращается в атмосферу, то есть цикл остаётся углеродно-нейтральным. Бадрельдин отметил, что цель исследователей — выйти за рамки простой переработки CO2 и перейти к схемам с отрицательным выбросом углерода, при которых он надолго сохраняется в продуктах и не возвращается в атмосферу сразу. Результаты работы опубликованы в апреле в журнале ACS Catalysis.