Sabatier reaktion

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 26 november 2019; kontroller kräver 10 redigeringar .

Sabatier-reaktionen , eller Sabatier-processen , ( franska  Sabatier ) är reaktionen mellan väte och kolmonoxid ( IV ) vid förhöjd temperatur och tryck i närvaro av en nickelkatalysator för att producera metan och vatten . Rutenium med aluminiumoxid kan användas som en mer effektiv katalysator . Processen beskrivs av följande reaktion:

∆H = −165,0 kJ/mol

Reaktionen upptäcktes av den franske kemisten Paul Sabatier .

Rymdstations livsuppehållande

För närvarande producerar syregeneratorer ombord på den internationella rymdstationen syre från vatten genom elektrolys och dumpar det resulterande vätet i rymden. Vid inandning av syre bildas koldioxid, som måste avlägsnas från luften och sedan kasseras. Detta tillvägagångssätt kräver en regelbunden tillförsel av en betydande mängd vatten till rymdstationen för syreproduktion, förutom vatten för att dricka, hygien, etc. En sådan betydande tillgång på vatten kommer att bli otillgänglig på framtida långtidsuppdrag utanför jordens omloppsbana.

NASA studerar för närvarande användningen av Sabatier-reaktionen för att återvinna vatten från utandad koldioxid för användning på den internationella rymdstationen och på framtida uppdrag. En annan förening som bildas (metan) skulle förmodligen dumpas i yttre rymden. Eftersom hälften av vätet som är involverat i reaktionen släpps ut som en del av metanmolekylerna, kommer ytterligare väte att krävas från jorden för att kompensera för det. Detta ger dock en nästan sluten cykel av cirkulation av vatten, syre och koldioxid. För att upprätthålla kretsloppet krävs en liten mängd väte utifrån. Cykeln kunde stängas helt om den resulterande metanen utsattes för pyrolys och sönderdelas till komponenter:

Det frigjorda vätet kunde sedan matas tillbaka till Sabatier- reaktorn . Detta lämnar en lätt borttagbar pyrolytisk grafitavlagring . Reaktorn kan vara lite mer än ett stålrör och kräver periodisk skrapning av grafiten.

Också övervägd för detta ändamål är Bosch- reaktionen . Även om Bosch-reaktionen skulle ge en helt sluten cykel av väte och syre, samtidigt som den kräver avlägsnande av endast atomärt kol, behövs ytterligare forskning innan Bosch-reaktorn blir verklighet, på grund av kraven på högre temperatur och teknik för att arbeta med kolavlagringar . Ett problem är att atomärt kol smutsar ner ytan på katalysatorn, vilket minskar reaktionens effektivitet.

Bränsleproduktion på Mars

Sabatier-reaktionen har föreslagits som ett nyckelsteg för att minska kostnaderna för bemannad utforskning av Mars genom att använda lokala resurser. Vattnet i Mars hydrosfär är tänkt att separeras i syre och väte genom elektrolys för att kunna användas som raketbränsle för den anlände marsexpeditionens returflygning. Men eftersom mycket låga temperaturer krävs för att lagra väte, föreslås det att omvandla det till metan med hjälp av Sabatier-reaktionen, med tanke på den stora mängden koldioxid i Mars atmosfär. Samtidigt löses problemet med att förse expeditionen med vatten och syre. Vissa komponenter i det autonoma systemet som implementerar denna process testades av NASA på jorden 2018. Det antas att den under 16 månaders arbete på Mars kommer att kunna producera cirka 7 ton metan och 22 ton syre [1] [2] .

Det stökiometriska förhållandet mellan syre och metan i bränslet är 3,5:1 (3,5 delar syre till 1 del metan) i vikt, även om en enkel passage genom Sabatier-reaktorn ger ett förhållande på endast 2:1. Ytterligare syre kan genereras genom reaktion mellan väte och koldioxid. En annan möjlighet är att pyrolysera metanen (från Sabatier-reaktorn) till kol och väte, varvid vätet strömmar tillbaka in i reaktorn för att producera metan och vatten. Ytterligare erforderligt syre erhålls genom elektrolys av vatten. I ett automatiserat system kan kolavlagringar avlägsnas genom att blåsa varm koldioxid från Mars medan kolet oxideras till kolmonoxid .

En tredje och kanske mer elegant lösning på det stökiometriska problemet skulle vara att kombinera Sabatier-reaktionen och reaktionen av väte med koldioxid i en enda reaktor enligt följande:

Denna reaktion är något exotermisk och, genom elektrolys av vatten, uppnås ett förhållande på 4:1 mellan syre och metan, vilket ger en stor reservtillförsel av syre. Enligt schemat, när endast lätt väte levereras från jorden, och tungt syre och kol produceras på plats, ges en 18:1-ökning i massa. Denna användning av lokala resurser skulle leda till betydande vikt- och kostnadsbesparingar i alla bemannade uppdrag till Mars eller obemannade uppdrag med markleverans.

Anteckningar

1. ↑ Gruvarbetare kommer att dyka upp på Mars // Science and Life . - 2019. - Nr 10 . - S. 44-45 .
2. ↑ Kurt W. Leucht. Hur NASA kommer att använda robotar för att skapa raketbränsle på Mars: Året är 2038  //  IEEE Spectrum. - 2018. - Vol. 55.- Iss. 11 . - S. 34-39 . - doi : 10.1109/MSPEC.2018.8513782 .