Специалисты из Китая создали инновационный катализатор, способный превращать атмосферу Марса в жидкое горючее, что может стать новым шагом к освоению человеком Красной планеты — реализации давней мечты о жизни за пределами Земли.
Ирина Петрова
Богатая углекислым газом атмосфера Красной планеты, снятая марсоходом Curiosity. Источник: NASA/JPL-Caltech/MSSS
Китайские исследователи разработали каталитический метод, позволяющий перерабатывать разряженный марсианский воздух в универсальный метанол. Группа ученых из Лаборатории исследования дальнего космоса в Хэфэе сконструировала двухкомпонентный катализатор: медь и натрий на пористой кристаллической основе превращают углекислый газ и водород (добываемый из местного льда) в метанол.
В процессе испытаний катализатор с натрием выдавал 245 граммов метанола на килограмм катализатора в час. Согласно имеющимся данным, этот результат «в 11 раз» превышает показатель при использовании одной лишь меди. Данный материал также сокращает образование нежелательных побочных продуктов и сохраняет стабильную работу на протяжении 12-часовых тестов.
Метанол может стать ключом к жизнеобеспечению внеземных баз. Он способен служить надежным энергоносителем для выработки электричества, обогрева и питания планетарных роверов.
«Оптимизированные катализаторы, в особенности MOF-808-NaCu, показали существенно более высокую эффективность гидрирования CO2, обеспечив пространственно-временной выход метанола в 245 г·кгкат–1·ч–1», — отмечают исследователи в научной публикации.
«Полученные результаты проясняют стимулирующую роль соседних участков со щелочными металлами в двухсайтовом катализе и предлагают стратегию разработки материалов для эффективной конверсии CO2 в целях будущих исследований Марса», — говорится в статье.
Химический секрет
Освоение человеком Марса — давняя мечта о жизни за пределами Земли, однако логистика представляет собой серьезную проблему. Свыше 95 процентов марсианской атмосферы состоит из углекислого газа, что осложняет выживание.
Доставка тысяч тонн топлива с Земли через миллионы километров открытого космоса слишком дорога, чтобы быть практичной. Поэтому будущим поселенцам придется производить все необходимое прямо на Красной планете. И это будущее начнется с масштабных исследований на Земле.
Исследователь Чжан Чжэ и его команда синтезировали двухсайтовый катализатор – работающий на двух участках одновременно. Он известен как MOF-808-NaCu. Материал, созданный на основе пористого металлоорганического каркаса (MOF-808), соединяет атомы меди непосредственно с соседними промоторами натрия.
Натрий работает как химический магнит. Он притягивает поступающие молекулы углекислого газа и меняет их электронную структуру, удерживая их в таком положении, чтобы соседние атомы меди могли запустить реакцию гидрирования с использованием водорода, выделяемого из местного марсианского водяного льда.
Одной из ключевых проблем остается энергетический баланс самого процесса. Получение водорода из марсианского льда требует электролиза, а значит — значительных затрат электроэнергии. На Марсе солнечная радиация слабее, чем на Земле, а пылевые бури способны на недели снижать выработку солнечных панелей. Поэтому исследователи рассматривают комбинацию источников питания: компактные ядерные реакторы, солнечные установки и, возможно, ветровые генераторы. Катализатор с высокой производительностью снижает энергоемкость одного из самых затратных этапов — гидрирования CO₂, что делает всю цепочку более реалистичной для автономной базы.
Космические агентства, такие как NASA, и частные подрядчики, например SpaceX, уже давно применяют реакторы Сабатье для получения метанового топлива. Метан является мощным ракетным топливом, но для его хранения требуются сложные криогенные системы охлаждения, чтобы поддерживать его в жидком состоянии при температуре -257,8 градуса по Фаренгейту (-161 градус по Цельсию).
Почему метанол лучше метана
Метанол представляет собой гораздо более практичную альтернативу, поскольку остается жидким при температуре окружающей среды и нормальном атмосферном давлении.
Производство жидкого химического вещества, которое не требует массивного холодильного оборудования, дает будущей марсианской базе мгновенный многоцелевой резерв для обеспечения энергией, отопления, наземного транспорта и промышленного производства.
Помимо использования в качестве топлива, метанол может служить химическим сырьем для производства антифриза, строительных материалов и различных товаров первой необходимости на Марсе.
Важно и то, что метанол можно производить в замкнутом цикле. При сжигании он возвращает в атмосферу углекислый газ, который затем снова улавливается и перерабатывается. Для герметичных модулей базы такая схема означает возможность многократного использования одного и того же углерода, сокращая потребность в постоянных поставках расходных материалов с Земли. Побочные продукты реакции, включая воду, также могут быть возвращены в систему жизнеобеспечения.
Китайская космическая программа стремительно набирает обороты с момента посадки марсохода «Тяньвэнь-1» в 2021 году. Учитывая, что в рамках предстоящей миссии «Тяньвэнь-3» планируется первая в истории человечества попытка доставить на Землю образцы марсианского грунта, логичным следующим шагом станет развитие технологии использования ресурсов на месте (ISRU).
Что дальше?
Однако прежде чем этот катализатор можно будет использовать за пределами Земли, необходимо решить ряд технических проблем. В первую очередь инженерам нужно будет разработать легкие компрессоры, способные улавливать и сжимать разреженный марсианский воздух.
Следующий этап для команды Чжан Чжэ — проверка катализатора в условиях, приближенных к марсианским: при низком давлении, температурах от минус 100 до плюс 20 градусов по Цельсию и в присутствии пыли. Лабораторные испытания длились 12 часов, тогда как реальная эксплуатация базы предполагает месяцы и годы непрерывной работы.
Устойчивость пористой кристаллической структуры MOF-808 к деградации, засорению и окислению станет решающим фактором. Параллельно инженеры работают над масштабированием синтеза: для полноценной базы потребуются килограммы, а не граммы катализатора.
Экономика внеземного производства пока остается неопределенной. Стоимость доставки килограмма груза на Марс измеряется сотнями тысяч долларов, поэтому даже незначительное повышение эффективности местного производства дает огромную выгоду.
Китайские исследователи подчеркивают, что их материал синтезируется из относительно доступных компонентов — меди, натрия и органических линкеров, — что упрощает его масштабирование как на Земле, так и в перспективе на самой планете, если удастся наладить добычу исходных веществ из марсианских пород.
В более широком контексте работа вписывается в глобальную конкуренцию программ освоения Марса. NASA и SpaceX делают ставку на метановый цикл Сабатье, тогда как китайская разработка предлагает жидкое топливо, не требующее криогенного хранения.
Обе стратегии могут оказаться взаимодополняющими: метан — для ракетных двигателей возвращаемых аппаратов, метанол — для энергетики, отопления и наземной техники.
Независимо от того, чья технология первой пройдет испытания на поверхности Красной планеты, сам факт появления таких решений подтверждает: освоение Марса переходит из области фантастики в плоскость инженерных задач с конкретными сроками и параметрами.
Тем не менее, ученые доказывают, что ключом к выживанию на Марсе может стать умение использовать местные ресурсы.
