Sabatier-reaktio

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 26. marraskuuta 2019 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 10 muokkausta .

Sabatier-reaktio tai Sabatier - prosessi ( ranskalainen  Sabatier ) on vedyn reaktio hiilimonoksidin ( IV ) kanssa korotetussa lämpötilassa ja paineessa nikkelikatalyytin läsnä ollessa, jolloin muodostuu metaania ja vettä . Ruteenia alumiinioksidin kanssa voidaan käyttää tehokkaampana katalyyttinä . Prosessi on kuvattu seuraavalla reaktiolla:

∆H = -165,0 kJ/mol

Reaktion löysi ranskalainen kemisti Paul Sabatier .

Avaruusaseman elämän tuki

Tällä hetkellä kansainvälisellä avaruusasemalla olevat happigeneraattorit tuottavat happea vedestä elektrolyysin kautta ja laskevat tuloksena olevan vedyn avaruuteen. Hapen hengityksessä muodostuu hiilidioksidia, joka on poistettava ilmasta ja sen jälkeen hävitettävä. Tämä lähestymistapa edellyttää, että avaruusasemalle on toimitettava säännöllisesti huomattava määrä vettä hapen tuotantoon juomaveden, hygienia- jne. lisäksi. Näin merkittävä vesivarasto ei ole käytettävissä tulevilla pitkäaikaisilla lennoilla Maan kiertoradan ulkopuolella.

NASA tutkii parhaillaan Sabatier-reaktion käyttöä veden talteenottamiseksi uloshengitetystä hiilidioksidista käytettäväksi kansainvälisellä avaruusasemalla ja tulevissa tehtävissä. Toinen muodostunut yhdiste (metaani) todennäköisesti upotetaan avaruuteen. Koska puolet reaktioon osallistuvasta vedystä poistuu osana metaanimolekyylejä, maapallolta tarvitaan lisää vetyä sen kompensoimiseksi. Tämä antaa kuitenkin lähes suljetun veden, hapen ja hiilidioksidin kierron. Kierteen ylläpitämiseksi tarvitaan pieni määrä vetyä ulkopuolelta. Kierto voisi sulkeutua täysin, jos tuloksena oleva metaani alistetaan pyrolyysille , joka hajoaa komponenteiksi:

Vapautunut vety voitaisiin sitten syöttää takaisin Sabatier - reaktoriin . Tämä jättää helposti poistettavan pyrolyyttisen grafiittikerrostuman . Reaktori voisi olla hieman enemmän kuin teräsputki ja vaatia grafiitin ajoittain kaapimista.

Myös Boschin reaktio otetaan huomioon tähän tarkoitukseen . Vaikka Bosch-reaktio antaisi vedyn ja hapen täysin suljetun kierron, vaikka se vaatisi vain atomihiilen poistamista , lisätutkimusta tarvitaan ennen kuin Bosch-reaktorista tulee todellisuutta, koska hiiliesiintymien käsittelyyn vaaditaan korkeampaa lämpötilaa ja teknologiaa. . Yksi ongelma on, että atomihiili saastuttaa katalyytin pinnan, mikä vähentää reaktion tehokkuutta.

Polttoaineen tuotanto Marsissa

Sabatier-reaktiota on ehdotettu keskeiseksi askeleeksi alentaa Marsin miehitettyjen tutkimusten kustannuksia käyttämällä paikallisia resursseja. Marsin hydrosfäärin vesi on tarkoitus erottaa hapeksi ja vedyksi elektrolyysillä , jotta sitä voidaan käyttää rakettipolttoaineena saapuneen Marsin retkikunnan paluulennolle. Koska vedyn varastointi vaatii kuitenkin erittäin alhaisia ​​lämpötiloja, ehdotetaan sen muuttamista metaaniksi Sabatier-reaktion avulla, koska Marsin ilmakehässä on suuri määrä hiilidioksidia. Samaan aikaan ratkaistaan ​​ongelma, joka koskee retkikunnan toimittamista vedellä ja hapella. NASA on testannut joitakin tämän prosessin toteuttavan autonomisen järjestelmän komponentteja maan päällä vuoteen 2018 mennessä. Sen oletetaan pystyvän tuottamaan noin 7 tonnia metaania ja 22 tonnia happea 16 kuukauden työskentelyn aikana Marsissa [1] [2] .

Hapen ja metaanin stoikiometrinen suhde polttoaineessa on 3,5:1 (3,5 osaa happea 1 osaan metaania) painon mukaan, vaikka yksittäinen läpikulku Sabatier-reaktorin läpi antaa suhteeksi vain 2:1. Lisää happea voidaan tuottaa vedyn ja hiilidioksidin reaktiossa. Toinen mahdollisuus on pyrolysoida metaani (Sabatier-reaktorista) hiileksi ja vedyksi, jolloin vety virtaa takaisin reaktoriin tuottamaan metaania ja vettä. Tarvittava lisähappi saadaan veden elektrolyysillä. Automatisoidussa järjestelmässä hiilikerrostumat voidaan poistaa puhaltamalla kuumaa Marsin hiilidioksidia samalla, kun hiili hapetetaan hiilimonoksidiksi .

Kolmas ja ehkä tyylikkäämpi ratkaisu stoikiometriseen ongelmaan olisi yhdistää Sabatier-reaktio ja vedyn reaktio hiilidioksidin kanssa yhdessä reaktorissa seuraavasti:

Tämä reaktio on hieman eksoterminen ja veden elektrolyysin avulla hapen ja metaanin välinen suhde saavutetaan 4:1, mikä tarjoaa suuren happivarannon. Kaavan mukaan, kun maasta toimitetaan vain kevyttä vetyä ja raskasta happea ja hiiltä tuotetaan paikalleen, saadaan aikaan 18:1 massalisäys. Tämä paikallisten resurssien käyttö johtaisi merkittäviin paino- ja kustannussäästöihin kaikissa miehitetyissä Mars-lennoissa tai miehittämättömissä maaperän toimittamisessa.

Muistiinpanot

1. ↑ Kaivostyöläiset ilmestyvät Marsiin // Tiede ja elämä . - 2019. - Nro 10 . - S. 44-45 .
2. ↑ Kurt W. Leucht. Kuinka NASA käyttää robotteja luodakseen rakettipolttoainetta Marsiin: Vuosi on 2038  //  IEEE Spectrum. - 2018. - Vol. 55.- Iss. 11 . - s. 34-39 . - doi : 10.1109/MSPEC.2018.8513782 .