بلیت سفر به مریخ دوطرفه شد؛ فناوری نوین سوخت موشک را از جو سیاره سرخ تولید می‌کند

کد خبر: ۹۴۰۵۱۳ تاریخ انتشار: ۲۶ : ۱۶ – ۳۱ شهریور ۱۴۰۵

بلیت سفر به مریخ دیگر یک‌طرفه نیست؛ فناوری نوین قادر به تولید سوخت موشک از جو سیاره سرخ است.

به گزارش انتخاب: پژوهشگران موفق به توسعه روشی نوین مبتنی بر الکترولیز شده‌اند که می‌تواند دی‌اکسید کربن موجود در جو مریخ را با خلوص بالا به متان تبدیل کند. این پژوهش نشان می‌دهد که فضانوردان می‌توانند برای بازگشت از مریخ به زمین، سوخت موشک را به‌طور مستقیم از دی‌اکسید کربن موجود در جو سیاره سرخ تولید کنند.

تکنیک احیای الکتروشیمیایی که در این روش به کار گرفته می‌شود، در واقع یک روش قدیمی مبتنی بر الکترولیز است که از جریان الکتریکی برای ایجاد واکنش شیمیایی استفاده می‌کند. با این حال، این روش جدید می‌تواند متان را با خلوص کافی برای استفاده به‌عنوان پیشران مایع تولید کند. در حال حاضر، چندین موتور موشکی با اکسیژن مایع و متان مایع کار می‌کنند، از جمله موتورهای رپتور که نیروی رانش استارشیپ، موشک عظیم اسپیس‌ایکس را تأمین می‌کنند.

کارتر ریسین، دانشجوی دکتری مهندسی مکانیک در دانشگاه تگزاس ای‌اندام و یکی از اعضای تیم پژوهش، در بیانیه‌ای اظهار داشت: «هدف ما این است که دی‌اکسید کربن را گرفته و با استفاده از برق، آن را به سوخت‌ها و مواد شیمیایی حاوی کربن تبدیل کنیم.» احمد بدرالدین، مهندس شیمی دانشگاه می‌سی‌سی‌پی و سرپرست تیم پژوهش نیز افزود: «نمی‌توانیم تمامی نیازهای خود را از زمین به مریخ ببریم، زیرا هر کیلوگرم اضافی هزینه و پیچیدگی پرتاب و غلبه بر گرانش زمین را به‌شدت افزایش می‌دهد. بنابراین، پرسش این است که چگونه می‌توانیم سوخت‌ها و مواد شیمیایی موردنیاز برای اکتشافات فضایی را از منابعی که در مقصد وجود دارند، تولید کنیم؟»

یکی از پاسخ‌ها، روش احیای الکتروشیمیایی است که در دستگاهی به نام الکترولایزر انجام می‌شود. در این فرایند، الکترون‌ها از آند با بار منفی به سمت کاتد با بار مثبت حرکت می‌کنند. آب در مجاورت آند اکسید می‌شود و این الکترون در سمت کاتد به دی‌اکسید کربن منتقل می‌شود. در این مرحله، یکی از اتم‌های دی‌اکسید کربن الکترون دریافت کرده و دچار فرآیند احیا می‌شود که به معنای کاهش عدد اکسایش آن است. سپس این ماده می‌تواند با اتم‌های هیدروژن و اکسیژنی که از مولکول‌های آب اکسیدشده جدا شده‌اند، واکنش دهد.

آند حاوی کاتالیزور است و انتخاب نوع کاتالیزور تعیین می‌کند که هنگام واکنش کربن احیاشده با هیدروژن و اکسیژن، کدام ترکیبات کربنی تولید شوند. به‌عنوان مثال، استفاده از کاتالیزور طلا به تولید مونوکسیدکربن (CO) منجر می‌شود، در حالی که مس می‌تواند ترکیبات پیچیده‌تری مانند الکل‌ها، اتانول و متان (CH₄) تولید کند. وجه تمایز کار تیم بدرالدین با آزمایش‌های پیشین این است که پژوهشگران یک کاتالیزور مسی در مقیاس نانومتر، آمیخته‌شده با نیتروژن ساخته‌اند که قادر به تولید متان با خلوص بسیار بالا است.

پیش از این نیز از احیای الکتروشیمیایی دی‌اکسید کربن برای تولید متان در کاربردهای زمینی استفاده شده بود، اما مشکل این است که روش‌های قبلی در کنار متان، مقدار زیادی محصول جانبی نیز تولید می‌کردند. در زمین، تجهیزات پیچیده‌ای برای جداسازی متان از سایر ترکیبات ناخواسته وجود دارد، اما فضانوردان نمی‌توانند چنین تجهیزات حجیمی را در مأموریت مریخ با خود ببرند، زیرا در چنین مأموریتی هر کیلوگرم بار اهمیت حیاتی دارد.

از آنجایی که متان برای استفاده به‌عنوان پیشران مایع موشک باید خلوص بالایی داشته باشد، این مسئله از اهمیت بالایی برخوردار است. با این حال، کاتالیزور مسی ویژه‌ای که تیم بدرالدین استفاده کرده است، به‌طور ترجیحی متان تولید می‌کند و در مقایسه با سایر ترکیبات، سهم بسیار بیشتری از محصول نهایی را به متان اختصاص می‌دهد؛ در نتیجه متان با خلوص بالا و بدون نیاز به پالایش تولید می‌شود.

از طرف دیگر، مریخ منبع فراوانی از دی‌اکسید کربن دارد. هرچند جو مریخ بسیار رقیق است، ۹۶ درصد آن از دی‌اکسید کربن تشکیل شده است. حتی اگر انسان هرگز به مریخ نرود، کاربرد این فناوری روی زمین نیز روشن است. به‌جای استخراج متان از منابع زیرزمینی، می‌توان آن را از دی‌اکسید کربنی که همین حالا در جو زمین وجود دارد، تولید کرد. به همین دلیل، پیشنهاد شده است که از احیای الکتروشیمیایی روی زمین به‌عنوان روشی برای جذب و ذخیره کربن نیز استفاده شود. این تکنیک، دی‌اکسید کربن را که گاز گلخانه‌ای نامطلوبی است، از جو سیاره خارج می‌کند.

البته مشکل اینجاست که تبدیل دی‌اکسید کربن به متان و سپس سوزاندن آن به‌عنوان سوخت، در نهایت همان دی‌اکسید کربن را دوباره به جو بازمی‌گرداند و چرخه‌ای با انتشار خالص صفر ایجاد می‌کند. در حالت ایدئال، باید دی‌اکسید کربن را برای مدت طولانی از جو دور نگه داشت؛ اما بدرالدین معتقد است این فناوری هنوز برای چنین کاری آماده نیست. با این حال، باید توجه داشت که بهترین راه برای کاهش تغییرات اقلیمی، متوقف‌کردن سوزاندن تمامی سوخت‌های فسیلی، از جمله متان است. با این حال، استفاده از متانی که از طریق احیای الکتروشیمیایی دی‌اکسید کربن تولید شده و در چرخه‌ای با انتشار خالص صفر مصرف می‌شود، به‌جای استخراج متان از منابع فسیلی، می‌تواند در دوره گذار از سوخت‌های فسیلی به منابع تجدیدپذیر مفید باشد.