Sabatierova reakce

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 26. listopadu 2019; kontroly vyžadují 10 úprav .

Sabatierova reakce nebo Sabatierův proces ( francouzsky Sabatier ) je reakce vodíku s oxidem uhelnatým ( IV ) při zvýšené teplotě a tlaku v přítomnosti niklového katalyzátoru za vzniku metanu a vody . Ruthenium s oxidem hlinitým lze použít jako účinnější katalyzátor . Proces je popsán následující reakcí:

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

∆H = −165,0 kJ/mol

Reakci objevil francouzský chemik Paul Sabatier .

Podpora života na vesmírné stanici

V současnosti generátory kyslíku na palubě Mezinárodní vesmírné stanice produkují kyslík z vody elektrolýzou a výsledný vodík vypouštějí do vesmíru. Při dýchání kyslíku vzniká oxid uhličitý, který je nutné ze vzduchu odstranit a následně zlikvidovat. Tento přístup vyžaduje pravidelný přísun značného množství vody do vesmírné stanice pro výrobu kyslíku, kromě vody pro pití, hygienu atd. Tak významná zásoba vody se stane nedostupnou na budoucích dlouhodobých misích mimo oběžnou dráhu Země.

NASA v současné době studuje využití Sabatierovy reakce k získání vody z vydechovaného oxidu uhličitého pro použití na Mezinárodní vesmírné stanici a na budoucích misích. Další vytvořená sloučenina (metan) by byla pravděpodobně vyhozena do vesmíru. Vzhledem k tomu, že polovina vodíku zapojeného do reakce je vypuštěna jako součást molekul metanu, bude zapotřebí další vodík ze Země , aby se to kompenzovalo. To však dává téměř uzavřený cyklus cirkulace vody, kyslíku a oxidu uhličitého. K udržení cyklu je zapotřebí malé množství vodíku zvenčí. Cyklus by mohl být zcela uzavřen, pokud by byl výsledný metan podroben pyrolýze a rozložil se na složky:

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

Uvolněný vodík by pak mohl být vrácen zpět do reaktoru Sabatier . Zanechává snadno odstranitelný nános pyrolytického grafitu . Reaktor by mohl být o něco více než ocelová trubka a vyžadoval by pravidelné škrábání grafitu.

Pro tento účel je také zvažována Boschova reakce . Přestože by Boschova reakce poskytla zcela uzavřený cyklus vodíku a kyslíku, přičemž by vyžadovala odstranění pouze atomárního uhlíku, je zapotřebí další výzkum, než se Boschův reaktor stane skutečností, a to kvůli požadavkům na vyšší teplotu a technologii pro práci s uhelnými ložisky. . Jedním z problémů je, že atomární uhlík znečišťuje povrch katalyzátoru, čímž se snižuje účinnost reakce.

Výroba paliva na Marsu

Sabatierova reakce byla navržena jako klíčový krok ke snížení nákladů na pilotovaný průzkum Marsu s využitím místních zdrojů. Voda z hydrosféry Marsu se má elektrolýzou rozdělit na kyslík a vodík, aby mohla být použita jako raketové palivo pro zpáteční let přicházející marťanské expedice. Vzhledem k tomu, že pro skladování vodíku jsou nutné velmi nízké teploty, je vzhledem k velkému množství oxidu uhličitého v atmosféře Marsu navrženo převést jej na metan pomocí Sabatierovy reakce. Zároveň se řeší problém zajištění expedice vodou a kyslíkem. Některé součásti autonomního systému, který tento proces implementuje, byly testovány NASA na Zemi do roku 2018. Předpokládá se, že za 16 měsíců práce na Marsu bude schopen vyprodukovat přibližně 7 tun metanu a 22 tun kyslíku [1] [2] .

Stechiometrický poměr kyslíku k metanu v palivu je 3,5:1 (3,5 dílů kyslíku na 1 díl metanu) hmotnostně, ačkoli jediný průchod Sabatierovým reaktorem dává poměr pouze 2:1. Další kyslík může vzniknout reakcí vodíku s oxidem uhličitým. Další možností je pyrolýza metanu (z reaktoru Sabatier) na uhlík a vodík, přičemž vodík proudí zpět do reaktoru za vzniku metanu a vody. Další potřebný kyslík se získává elektrolýzou vody. V automatizovaném systému mohou být uhlíkové usazeniny odstraněny foukáním horkého marťanského oxidu uhličitého, zatímco uhlík je oxidován na oxid uhelnatý .

Třetím a možná elegantnějším řešením stechiometrického problému by bylo spojit Sabatierovu reakci a reakci vodíku s oxidem uhličitým v jediném reaktoru následovně:

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

Tato reakce je mírně exotermická a elektrolýzou vody se dosahuje poměru mezi kyslíkem a metanem 4:1, což poskytuje velkou rezervu kyslíku. Podle schématu, když je ze Země dodáván pouze lehký vodík a na místě se vyrábí těžký kyslík a uhlík, je zajištěn nárůst hmotnosti 18:1. Toto využití místních zdrojů by vedlo k významným úsporám hmotnosti a nákladů při jakýchkoli pilotovaných misích na Mars nebo bezpilotních misích s dodáním půdy.

Poznámky

↑ Na Marsu se objeví horníci // Věda a život . - 2019. - č. 10 . - S. 44-45 .
↑ Kurt W. Leucht. Jak NASA využije roboty k vytvoření raketového paliva na Marsu: Píše se rok 2038 // IEEE Spectrum. - 2018. - Sv. 55.- Iss. 11 . - str. 34-39 . - doi : 10.1109/MSPEC.2018.8513782 .