Sabatier reaktion

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 26. november 2019; checks kræver 10 redigeringer .

Sabatier-reaktionen eller Sabatier-processen ( fransk Sabatier ) er reaktionen mellem brint og carbonmonoxid ( IV ) ved forhøjet temperatur og tryk i nærværelse af en nikkelkatalysator for at producere metan og vand . Ruthenium med aluminiumoxid kan bruges som en mere effektiv katalysator . Processen beskrives ved følgende reaktion:

{\mathsf {CO_{2}+4H_{2}\rightarrow CH_{4}+2H_{2}O))

∆H = −165,0 kJ/mol

Reaktionen blev opdaget af den franske kemiker Paul Sabatier .

Livsstøtte til rumstation

I øjeblikket producerer iltgeneratorer ombord på den internationale rumstation ilt fra vand gennem elektrolyse og dumper den resulterende brint ud i rummet. Ved indånding af ilt dannes der kuldioxid, som skal fjernes fra luften og efterfølgende bortskaffes. Denne tilgang kræver en regelmæssig forsyning af en betydelig mængde vand til rumstationen til iltproduktion, foruden vand til at drikke, hygiejne osv. En sådan betydelig forsyning af vand vil blive utilgængelig på fremtidige langsigtede missioner uden for Jordens kredsløb.

NASA studerer i øjeblikket brugen af Sabatier-reaktionen til at genvinde vand fra udåndet kuldioxid til brug på den internationale rumstation og på fremtidige missioner. En anden dannet forbindelse (methan) ville sandsynligvis blive dumpet ud i det ydre rum. Da halvdelen af det brint, der er involveret i reaktionen, udledes som en del af metanmolekylerne, vil der kræves yderligere brint fra Jorden for at kompensere for det. Dette giver dog en næsten lukket kredsløb af cirkulation af vand, ilt og kuldioxid. For at opretholde kredsløbet kræves der en lille mængde brint udefra. Cyklussen kunne lukkes fuldstændigt, hvis den resulterende metan blev udsat for pyrolyse og nedbrydes til komponenter:

{\displaystyle {\mathsf {CH_{4}\rightarrow C+2H_{2))))

Det frigivne brint kunne derefter føres tilbage til Sabatier- reaktoren . Dette efterlader en let aftagelig pyrolytisk grafitaflejring . Reaktoren kunne være lidt mere end et stålrør og kræve periodisk skrabning af grafitten.

Også overvejet til dette formål er Bosch- reaktionen . Selvom Bosch-reaktionen ville give en fuldstændig lukket cyklus af brint og oxygen, mens den kun kræver fjernelse af atomart kulstof, er der behov for yderligere forskning, før Bosch-reaktoren bliver en realitet, på grund af kravene til højere temperatur og teknologi til at arbejde med kulaflejringer . Et problem er, at atomart kulstof forurener overfladen af katalysatoren, hvilket reducerer reaktionens effektivitet.

Brændstofproduktion på Mars

Sabatier-reaktionen er blevet foreslået som et vigtigt skridt i at reducere omkostningerne ved bemandet udforskning af Mars ved at bruge lokale ressourcer. Vandet i hydrosfæren på Mars formodes at blive adskilt i oxygen og brint ved elektrolyse for at blive brugt som raketbrændstof til returflyvningen af den ankomne Mars-ekspedition. Men da der kræves meget lave temperaturer for at opbevare brint, foreslås det at omdanne det til metan ved hjælp af Sabatier-reaktionen, givet den store mængde kuldioxid i Mars-atmosfæren. Samtidig løses problemet med at forsyne ekspeditionen med vand og ilt. Nogle komponenter i det autonome system, der implementerer denne proces, blev testet af NASA på Jorden i 2018. Det antages, at den for 16 måneders arbejde på Mars vil være i stand til at producere cirka 7 tons metan og 22 tons ilt [1] [2] .

Det støkiometriske forhold mellem oxygen og methan i brændstoffet er 3,5:1 (3,5 dele oxygen til 1 del methan) efter vægt, selvom en enkelt passage gennem Sabatier-reaktoren kun giver et forhold på 2:1. Yderligere oxygen kan genereres ved reaktion mellem brint og kuldioxid. En anden mulighed er at pyrolysere metanen (fra Sabatier-reaktoren) til kulstof og brint, hvor brinten strømmer tilbage i reaktoren for at producere metan og vand. Yderligere nødvendig ilt opnås ved elektrolyse af vand. I et automatiseret system kan kulstofaflejringer fjernes ved at blæse varm kuldioxid fra Mars, mens kulstoffet oxideres til kulilte .

En tredje og måske mere elegant løsning på det støkiometriske problem ville være at kombinere Sabatier-reaktionen og reaktionen af brint med kuldioxid i en enkelt reaktor som følger:

{\mathsf {3CO_{2}+6H_{2}\rightarrow CH_{4}+2CO+4H_{2}O))

Denne reaktion er let eksoterm og opnår ved elektrolyse af vand et forhold på 4:1 mellem oxygen og metan, hvilket giver en stor reserveforsyning af oxygen. Ifølge skemaet, når kun let brint leveres fra Jorden, og tung ilt og kulstof produceres på stedet, opnås en 18:1-forøgelse i masse. Denne brug af lokale ressourcer ville føre til betydelige vægt- og omkostningsbesparelser i alle bemandede missioner til Mars eller ubemandede missioner med jordlevering.

Noter

↑ Minearbejdere vil dukke op på Mars // Science and Life . - 2019. - Nr. 10 . - S. 44-45 .
↑ Kurt W. Leucht. Hvordan NASA vil bruge robotter til at skabe raketbrændstof på Mars: Året er 2038 // IEEE Spectrum. - 2018. - Bd. 55.- Iss. 11 . - S. 34-39 . - doi : 10.1109/MSPEC.2018.8513782 .