Марсианскую атмосферу сложно назвать дружелюбной: давление в 170 раз меньше, чем на Земле, и состоит она на 95% из углекислого газа. Кислорода в ней всего 0.15%, так что без защитных средств выжить на Марсе человеку невозможно. Поэтому в будущих марсианских миссиях кислород придется везти с Земли, что не эффективно, так что одной из первоочередных задач является получение этого газа прямо на Марсе, при этом, желательно, с наименьшей тратой ресурсов. И ученые нашли новый способ, который будущие колонисты могут использовать для генерации своего собственного кислорода.
Исследовательская группа обнаружила эту новую реакцию генерации кислорода, изучая кометы. Большинство этих маленьких ледяных миров происходят из далекой области Солнечной системы, известной как Облако Оорта, находящейся далеко за пределами орбиты Нептуна — последней планеты нашей звездной системы. Когда кометы, двигаясь по орбите, приближаются к Солнцу, его тепло заставляет лед испаряться (сублимировать). Эта реакция производит длинные кометные хвосты, которые могут простираться на тысячи километров, и, в некоторых случаях, быть заметными с Земли даже невооруженным глазом.
Группа исследователей из Калифорнийского технологического института (КТИ) в Пасадене нашла новое объяснение тому, как кометы генерируют молекулярный кислород, то есть два атома кислорода, которые объединяются вместе и находятся в таком виде в привычном нам воздухе.
Один из уже известных методов — через кинетическую энергию. Сублимирующая комета — это занятая среда, где солнечный ветер (постоянный поток частиц, исходящих от Солнца) может сильно ускорять молекулы воды на ее поверхности. И если на поверхности есть кислородсодержащие соединения, разогнанные молекулы воды могут отрывать от них атомы кислорода и производить молекулярный кислород.
Комета Галлея 8 марта 1986 года.
Исследователи обнаружили, что молекулярный кислород также может быть получен в результате реакций с углекислым газом: он содержит один атом углерода и два атома кислорода. Бывший сотрудник докторантуры КТИ Юньси Яо и нынешний профессор химической инженерии Константинос Гиапис смоделировали эту реакцию, направив разогнанные молекулы двуокиси углерода на золотую фольгу. Поскольку золотая фольга не может быть окислена, сама по себе она не должна производить молекулярный кислород. Но когда углекислый газ проникает в фольгу с высокой скоростью, на поверхности золота начинает образовываться молекулярный кислород.
«Это означает, что оба атома кислорода происходят из одной и той же молекулы CO2 при ее эффективном расщеплении таким необычным образом», — говорится в заявлении представителей Калифорнийского технологического института. Чтобы лучше понять, как углекислый газ может разлагаться на молекулярный кислород, профессор химии КТИ Том Миллер и его научный сотрудник Филипп Шушков создали компьютерную симуляцию.
Исследователи утверждают, что одной из проблем при моделировании реакции является то, что реагирующие молекулы очень сильно возбуждены, то есть они колеблются и вращаются сложным образом. «В общем, возбужденные молекулы часто могут привести к необычной химии, поэтому мы решили начать именно с этого», — говорится в заявлении Миллера. «Но, к нашему удивлению, возбужденное состояние не создавало молекулярный кислород. Вместо этого молекула распадалась на другие продукты». Но вскоре ученые поняли, в чем дело — для производства молекулярного кислорода требуются необычные «изогнутые» молекулы углекислого газа с нетипичный геометрией. Правда, есть одна проблема — в естественной среде они встречаются достаточно редко.
Для существенного разгона молекул углекислого газа в своем эксперименте по столкновению CO2 с золотой фольгой Яо и Гиапис использовали электрическое поле. Тем не менее, они утверждают, что реакция может происходить и при меньших скоростях, что может объяснить, почему в марсианской атмосфере присутствует некоторое количество кислорода.
Продукты столкновения углекислого газа с золотой фольгой включают в себя и необходимый для дыхания молекулярный кислород.
«Вы можете бросить камень с достаточной скоростью в емкость с углекислым газом и достичь того же», — сказал Гиапис в своем заявлении. «Скорость должна быть сравнима с той, с которой кометы или астероиды путешествуют в космосе».
Раньше ученые думали, что крошечная концентрация кислорода в атмосфере Марса, вероятно, генерируется после того, как ультрафиолетовое излучение Солнца расщепляет молекулы двуокиси углерода в воздухе Красной планеты. Однако Гиапис полагает, что марсианский кислород может также генерироваться, когда частицы пыли, ускоренные в атмосфере до высокой скорости, врезаются в молекулы углекислого газа.
Экспериментальная установка Гиаписа имеет очень низкий КПД, генерируя только одну или две молекулы кислорода на каждые 100 молекул углекислого газа, проходящих через ускоритель. Однако, по словам ученого, возможно, его реактор можно будет модифицировать, чтобы создавать пригодный для дыхания кислород астронавтам на Марсе. А на Земле реактор может быть полезен для выведения углекислого газа (который также является мощным парниковым газом и основным фактором глобального потепления) из атмосферы и превращения его в кислород.
«Это конечное устройство? Нет. Это устройство, которое может решить проблему с кислородом на Марсе? Пока что тоже нет», — сказал Гиапис. «Но это устройство, которое может делать что-то очень сложное. Мы проводим на нем сумасшедшие эксперименты».
Кстати, реактор Гиаписа — не единственное устройство по получению молекулярного кислорода. НАСА в 2020 году собирается отправить на Красную планету новый ровер, оснащенный инструментом MOXIE. Он будет вытягивать углекислый газ из тонкой марсианской атмосферы и электрохимически превращать его в чистый кислород и окись углерода. И если этот эксперимент окажется удачным, то колонизировать Марс станет существенно проще.
