Sabatier reakció

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2019. november 26-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzésekhez 10 szerkesztés szükséges .

A Sabatier-reakció , vagy Sabatier - eljárás ( francia Sabatier ) a hidrogén reakciója szén -monoxiddal ( IV ) magas hőmérsékleten és nyomáson nikkelkatalizátor jelenlétében metán és víz előállítására . A ruténium alumínium - oxiddal hatékonyabb katalizátorként használható . A folyamatot a következő reakció írja le:

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

∆H = -165,0 kJ/mol

A reakciót Paul Sabatier francia kémikus fedezte fel .

Űrállomás életfenntartó

Jelenleg a Nemzetközi Űrállomás fedélzetén lévő oxigéngenerátorok elektrolízis útján vízből állítanak elő oxigént, és a keletkező hidrogént az űrbe dobják. Oxigén belégzése során szén-dioxid képződik, amelyet el kell távolítani a levegőből, majd ártalmatlanítani kell. Ez a megközelítés megköveteli, hogy az űrállomást rendszeresen jelentős mennyiségű vízzel kell ellátni oxigéntermelés céljából, az ivóvíz, higiénia stb. mellett. Ilyen jelentős vízkészlet a jövőbeni, Föld körüli pályán túli, hosszú távú küldetések során elérhetetlenné válik.

A NASA jelenleg a Sabatier-reakció felhasználását tanulmányozza a kilélegzett szén-dioxidból a víz visszanyerésére a Nemzetközi Űrállomáson és a jövőbeli küldetéseken. Egy másik keletkezett vegyület (metán) valószínűleg a világűrbe kerülne. Mivel a reakcióban részt vevő hidrogén fele a metánmolekulák részeként távozik, ennek kompenzálásához további hidrogénre lesz szükség a Földről . Ez azonban a víz, az oxigén és a szén-dioxid szinte zárt körforgását eredményezi. A ciklus fenntartásához kis mennyiségű hidrogénre van szükség kívülről. A körfolyamat teljesen lezárható, ha a keletkező metánt pirolízisnek vetik alá , amely összetevőkre bomlik:

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

A felszabaduló hidrogént ezután vissza lehet vezetni a Sabatier reaktorba . Ez könnyen eltávolítható pirolitikus grafitlerakódást hagy maga után . A reaktor alig lehet több, mint egy acélcső, és rendszeres időközönként meg kell kaparni a grafitot.

E célból a Bosch reakció is figyelembe vehető . Bár a Bosch-reakció teljesen zárt hidrogén-oxigén-ciklust biztosítana, miközben csak az atomos szén eltávolítását követeli meg , további kutatásokra van szükség, mielőtt a Bosch-reaktor valósággá válna, a magasabb hőmérséklet és a széntelepekkel való munkavégzés technológiai követelményei miatt. . Az egyik probléma az, hogy az atomos szén elszennyezi a katalizátor felületét, csökkentve a reakció hatékonyságát.

Üzemanyagtermelés a Marson

A Sabatier-reakciót kulcsfontosságú lépésként javasolták a Mars emberes felderítésének költségeinek csökkentésében a helyi erőforrások felhasználásával. A Mars hidroszférájának vizét állítólag elektrolízissel oxigénre és hidrogénre választják szét, hogy rakéta-üzemanyagként használják fel a megérkezett marsi expedíció visszatérő repüléséhez. Mivel azonban a hidrogén tárolásához nagyon alacsony hőmérsékletre van szükség, azt javasolják, hogy a Sabatier-reakció segítségével metánná alakítsák , tekintettel a marsi légkörben lévő nagy mennyiségű szén-dioxidra. Ezzel párhuzamosan megoldódik az expedíció vízzel és oxigénnel való ellátásának problémája is. Az ezt a folyamatot megvalósító autonóm rendszer egyes alkatrészeit a NASA 2018-ig tesztelte a Földön. Feltételezik, hogy 16 hónapig a Marson végzett munka során körülbelül 7 tonna metánt és 22 tonna oxigént lesz képes előállítani [1] [2] .

A tüzelőanyagban lévő oxigén és metán sztöchiometrikus aránya 3,5:1 (3,5 rész oxigén 1 rész metánhoz), bár a Sabatier reaktoron egyszeri áthaladás csak 2:1 arányt ad. További oxigén keletkezhet a hidrogén és a szén-dioxid reakciójával. Egy másik lehetőség a metán pirolizálása (a Sabatier reaktorból) szénné és hidrogénné, miközben a hidrogén visszaáramlik a reaktorba metán és víz előállítására. További szükséges oxigént víz elektrolízisével nyernek. Egy automatizált rendszerben a szénlerakódásokat forró marsi szén-dioxid fújásával lehet eltávolítani, miközben a szén szén-monoxiddá oxidálódik .

A sztöchiometrikus probléma harmadik és talán elegánsabb megoldása az lenne, ha a Sabatier-reakciót és a hidrogén és a szén-dioxid reakcióját egyetlen reaktorban egyesítenék az alábbiak szerint:

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

Ez a reakció enyhén exoterm, és a víz elektrolízisével 4:1 arányt ér el az oxigén és a metán között, ami nagy mennyiségű oxigénellátást biztosít. A séma szerint, ha csak könnyű hidrogént szállítanak a Földről, és nehéz oxigén és szén keletkezik a helyén, akkor 18:1 tömegnövekedés érhető el. A helyi erőforrások ilyen felhasználása jelentős súly- és költségmegtakarítást eredményezne bármilyen emberes Mars-küldetés vagy talajszállítással végzett pilóta nélküli küldetés esetén.

Jegyzetek

↑ Bányászok jelennek meg a Marson // Tudomány és élet . - 2019. - 10. sz . - S. 44-45 .
↑ Kurt W. Leucht. Hogyan fogja a NASA robotokat használni rakéta-üzemanyag előállításához a Marson: Az év 2038 // IEEE Spectrum. - 2018. - Kt. 55.- Iss. 11 . - 34-39 . o . - doi : 10.1109/MSPEC.2018.8513782 .