Как астронавты смогут заправить корабль топливом, сделанным на Марсе
Атмосфера Марса примерно на 96% состоит из диоксида углерода, и именно это вещество может стать сырьём для производства метанового топлива прямо на поверхности Красной планеты, как сообщается в материале Phys.org. Когда NASA готовится отправить людей на соседнюю планету уже в 2030-х годах, одним из самых практичных вопросов остаётся обратный путь: доставка горючего с Земли обойдётся слишком дорого, ведь каждый лишний килограмм груза многократно увеличивает стоимость преодоления земного притяжения. Исследователи из Университета Миссисипи предложили использовать местные ресурсы, превращая разрежённый марсианский воздух в энергоноситель с помощью электричества и специальных катализаторов.
Как превратить углекислый газ в горючее
В основе метода лежит электрохимическая реакция, при которой молекулы CO2 восстанавливаются до метана. Группа под руководством Ахмеда Бадрельдина опубликовала результаты в журнале ACS Catalysis, продемонстрировав высокую избирательность медного катализатора.
Ключевым элементом стал субнанометровый кластер меди, закреплённый на единичных атомах этого металла. Размер частиц составляет менее 1 нанометра, что примерно в 100 000 раз меньше ширины человеческого волоса (около 0,1 миллиметра). Такая структура направляет реакцию именно в сторону образования метана, минимизируя побочные продукты.
Как говорит Бадрельдин: «Нельзя поднять всё необходимое с Земли, ведь каждый лишний килограмм добавляет колоссальные затраты». Поэтому поиск локальных решений неизбежен.
Аспирант Картер Расин поясняет, что технология имитирует природный цикл углерода, но замыкает его искусственно. Вместо добычи ископаемых ресурсов учёные берут выделенный диоксид и под воздействием возобновляемого электричества получают углеродсодержащее топливо.
- использование локально доступного сырья вместо доставки с Земли;
- снижение нагрузки на системы очистки продукта;
- возможность работы от солнечных или ядерных установок на поверхности.
Реальный пример уже реализован в лаборатории: на модельной установке удалось провести конверсию с заметным выходом целевого газа, что подтверждает работоспособность подхода вне теории.
Почему чистота продукта важнее на другой планете
На Земле мы привыкли, что после химической реакции следует многоступенчатая очистка. На Марсе такой роскоши нет: масса оборудования для разделения веществ съест выгоду от местного производства.
Масса оборудования — критична.
Бадрельдин подчёркивает, что для ракетного применения метан должен достигать качества пропеллента, то есть почти не содержать примесей. Медные нанокатализаторы спроектированы так, чтобы сразу давать нужное вещество с высокой селективностью.
- отсутствие развитой инфраструктуры сепарации на поверхности;
- необходимость минимизировать массу перевозимых модулей;
- жёсткие требования к энергозатратам на обогрев и жизнеобеспечение.
В итоге упор сделан на саму химию процесса, а не на постобработку. Это меняет подход к проектированию будущих посадочных модулей.
Земные перспективы синтетического метана
Разработка не ограничивается космосом. Метан — основа природного газа и сырьё для многих химических производств, поэтому локальное получение такого продукта из уловленного CO2 привлекательно для распределённой энергетики.
Бадрельдин указывает на интерес к превращению метана в спирты и другие ценные соединения прямо на месте добычи углерода. Это позволило бы отказаться от гигантских централизованных заводов в пользу компактных реакторов.
Однако учёный предостерегает: простое сжигание синтетического топлива даёт лишь нулевой баланс выбросов, так как образуется тот же объём диоксида. Настоящая цель — пути с отрицательным углеродным следом, когда углерод надолго связывается в материалах.
Если мы замкнём цикл, получив метан из воздуха и снова выпустив CO2, это лишь сохранит статус-кво, а не очистит атмосферу.
Тем не менее технология уже сегодня может помочь отраслям, где электрификация затруднена.
Сложности с авиацией и тяжёлыми батареями
Особенно показателен пример авиаперевозок. Тяжёлые аккумуляторы не позволяют самолёту поднять нужный запас энергии, поэтому сектор остаётся зависимым от углеводородов.
Тяжёлые батареи не летают.
Расин отмечает, что синтетическое углеродное топливо можно залить в существующие двигатели без модификаций. Лайнер полетит так же далеко, но без использования ископаемой нефти.
- сохранение текущей инфраструктуры заправки;
- отсутствие необходимости менять парк техники;
- потенциал для снижения зависимости от централизованных поставок.
Грант программы Mississippi NASA EPSCoR позволит группе Бадрельдина протестировать метод на иных материалах и улучшить стабильность системы в долгосрочной перспективе.
Но если первое топливо для возвращения с Марса будет сделано из его же воздуха, не наступит ли момент, когда колонистам придётся выбирать между дыханием и полётом домой? Возможно, стоит уже сейчас продумывать, как распределять скудные запасы диоксида между реактором и теплицей.
