Αντιδραστήρας που παράγει οξυγόνο από διοξείδιο του άνθρακα από Έλληνα επιστήμονα

Αντιδραστήρας που παράγει οξυγόνο από διοξείδιο του άνθρακα από Έλληνα επιστήμονα

Caltech

Η επιστημονική φαντασία είναι γεμάτη ιστορίες με γαιοδιαμόρφωση/ γαιοποίηση (terraforming) του Άρη και «γεννήτριες» οξυγόνου για ένα πολύ απλό λόγο: Οι άνθρωποι χρειαζόμαστε οξυγόνο για να αναπνέουμε, και στο διάστημα και σε άλλους πλανήτες που ξέρουμε δεν υπάρχει ή είναι πολύ σπάνιο. Οπότε και η εξερεύνηση του διαστήματος απαιτεί οι αστροναύτες να έχουν μαζί τους τις δικές τους προμήθειες οξυγόνου, κάτι που συνεπάγεται προβλήματα όπως η μεταφορά του και η πεπερασμένη του ποσότητα.

Οπότε και η εξερεύνηση του διαστήματος απαιτεί οι αστροναύτες να έχουν μαζί τους τις δικές τους προμήθειες οξυγόνου, κάτι που συνεπάγεται προβλήματα όπως η μεταφορά του και η πεπερασμένη του ποσότητα.

Οξυγόνο μπορεί να βρεθεί πέρα από τα όρια του πλανήτη μας στις εκπομπές αερίων από κομήτες. Όπως αναφέρεται σε ανάρτηση στην ιστοσελίδα του Caltech (ΗΠΑ), η πηγή αυτού του οξυγόνου αποτελούσε μυστήριο μέχρι πριν από δύο χρόνια, όταν ο Κωνσταντίνος Γιάπης, καθηγητής χημικός μηχανικός στο Caltech, και ο μεταδιδακτορικός του Γιούνξι Γιάο, πρότειναν την παρουσία μας νέας χημικής διαδικασίας που θα εξηγούσε την παραγωγή του. Ο κ. Γιάπης, μαζί με τον Τομ Μίλερ, καθηγητή χημείας, παρουσίασαν μια νέα αντίδραση για την παραγωγή οξυγόνου, η οποία, σύμφωνα με τον Έλληνα ερευνητή, θα μπορούσε να βοηθήσει τους ανθρώπους να εξερευνήσουν το διάστημα και ίσως ακόμη και να αντιμετωπίσουν την κλιματική αλλαγή. Ακόμα σημαντικότερ, ο ίδιος λέει πως η αντίδραση αυτή αντιπροσωπεύει ένα νέο είδος χημείας, που ανακαλύπτεται μέσω της μελέτης κομητών.

Οι περισσότερες χημικές αντιδράσεις απαιτούν ενέργεια, που κατά κανόνα παρέχεται ως θερμότητα. Η έρευνα του κ. Γιάπη δείχνει πως κάποιες ασυνήθιστες αντιδράσεις μπορούν να λάβουν χώρα μέσω της παροχής κινητικής ενέργειας. Όταν μόρια νερού εκτοξεύονται σαν πολύ μικρές σφαίρες σε επιφάνειες που περιλαμβάνουν οξυγόνο (όπως η άμμος ή η σκουριά), το μόριο νερού μπορεί να «ξεκολλά» αυτό το οξυγόνο για να παράγει μοριακό οξυγόνο. Η αντίδραση αυτή λαμβάνει χώρα σε κομήτες όταν μόρια νερού εξατμίζονται από την επιφάνεια και στη συνέχεια επιταχύνονται χάρη στον ηλιακό άνεμο, προσκρούοντας πίσω στον κομήτη σε πολύ υψηλές ταχύτητες.

Ωστόσο οι κομήτες εκπέμπουν και διοξείδιο του άνθρακα. Οι δύο ερευνητές ήθελαν να διαπιστώσουν εάν το διοξείδιο του άνθρακα θα μπορούσε να παράγει επίσης οξυγόνο σε συγκρούσεις με την επιφάνεια του κομήτη. Όταν βρήκαν οξυγόνο στη ροή των αερίων από τον κομήτη, θέλησαν να επιβεβαιώσουν ότι η αντίδραση ήταν παρόμοια με αυτήν του νερού. Για αυτόν τον σκοπό σχεδίασαν ένα πείραμα με σκοπό την πρόσκρουση διοξειδίου του άνθρακα στην αδρανή επιφάνεια ενός φύλλου χρυσού, που δεν μπορεί να οξειδωθεί και δεν θα έπρεπε να παράγει μοριακό οξυγόνο. Ωστόσο, συνέχισε να εκπέμπεται οξυγόνο από την επιφάνεια του χρυσού. Αυτό σημαίνει ότι και τα δύο άτομα οξυγόνου προέρχονται από το ίδιο μόριο διοξειδίου του άνθρακα, πρακτικά διαχωρίζοντάς το, με έναν πολύ ιδιαίτερο τρόπο.

«Νομίζαμε ότι θα ήταν αδύνατον να συνδυάσουμε τα δύο άτομα οξυγόνου ενός μορίου διοξειδίου του άνθρακα, επειδή το διοξείδιο του άνθρακα είναι ένα γραμμικό μόριο, και θα έπρεπε να κάμψεις το μόριο πολύ για να δουλέψει αυτό» λέει ο κ. Γιάπης. «Κάνεις κάτι πολύ δραστικό στο μόριο».

Για να κατανοήσει τον μηχανισμό με τον οποίο το διοξείδιο του άνθρακα διασπάται σε μοριακό οξυγόνο, ο κ. Γιάπης προσέγγισε τον Μίλερ και τον μεταδιδακτορικό Φίλιπ Σούσκοφ, που σχεδίασαν προσομοιώσεις υπολογιστή της όλης διαδικασίας. Η κατανόηση της αντίδρασης ήταν μια σημαντική πρόκληση.

Η συσκευή που σχεδίασε ο Έλληνας ερευνητής για την αντίδραση αυτή λειτουργεί σαν επιταχυντής σωματιδίων, μετατρέποντας τα μόρια διοξειδίου του άνθρακα σε ιόντα φορτίζοντάς τα και μετά επιταχύνοντάς τα μέσω ηλεκτρικού πεδίου, απλά σε πολύ χαμηλότερα ενεργειακά επίπεδα από ό,τι σε έναν επιταχυντή σωματιδίων. Παρόλα αυτά, ο κ. Γιάπης σημειώνει πως δεν απαιτείται μια τέτοια συσκευή για να λάβει χώρα η αντίδραση: «Θα μπορούσες να ρίξεις μια πέτρα με αρκετή ταχύτητα σε διοξείδιο του άνθρακα και να επιτύχεις το ίδιο. Θα χρειαζόταν να πετά το ίδιο με γρήγορα με έναν κομήτη ή αστεροειδή που κινείται στο διάστημα».

Αυτό θα μπορούσε να εξηγήσει την παρουσία μικρών ποσοτήτων οξυγόνου που έχουν παρατηρηθεί ψηλά στην ατμόσφαιρα του Άρη: Έχει παρουσιαστεί η θεωρία πως το οξυγόνο παράγεται επειδή η υπεριώδης ακτινοβολία χτυπά το διοξείδιο του άνθρακα, μα ο κ. Γιάπης πιστεύει ότι το οξυγόνο παράγεται επίσης από σωματίδια σκόνης που συγκρούονται με μόρια διοξειδίου του άνθρακα σε υψηλές ταχύτητες.

Ο ίδιος ελπίζει πως μια παραλλαγή του αντιδραστήρα του θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να κάνει το ίδιο πράγμα σε πιο χρήσιμες κλίμακες- ίσως λειτουργώντας κάποια στιγμή ως πηγή αέρα για αστροναύτες στον Άρη, ή χρησιμοποιούμενη για την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής μέσω απομάκρυνσης διοξειδίου του άνθρακα από την ατμόσφαιρα της Γης και μετατροπής του σε οξυγόνο. Ο ίδιος πάντως σημειώνει ότι υπάρχει ακόμα πολύς δρόμος για τέτοιες εφαρμογές, επειδή η παρούσα έκδοση του αντιδραστήρα έχει χαμηλή απόδοση, δημιουργώντας μόνο ένα με δύο μόρια οξυγόνου για κάθε 100 μόρια διοξειδίου του άνθρακα που περνούν από τον επιταχυντή.

«Είναι η τελική συσκευή; Όχι. Είναι μια συσκευή που θα μπορούσε να λύσει το πρόβλημα στον Άρη; Όχι, Αλλά είναι μια συσκευή που μπορεί να κάνει κάτι πολύ δύσκολο» λέει ο ίδιος. «Κάνουμε κάποια τρελά πράγματα με αυτόν τον αντιδραστήρα».

Το σχετικό paper, με τίτλο «Direct dioxygen evolution in collisions of carbon dioxide with surfaces» δημοσιεύτηκε στο Nature Communications.