Konstantinos P. Giapis med sin reaktor som omvandlar koldioxid till molekylärt syre. Kredit:California Institute of Technology
Science fiction-berättelser är fulla av terraforming-scheman och syregeneratorer av en mycket god anledning - vi människor behöver molekylärt syre (O 2 ) att andas, och utrymmet saknar det i huvudsak. Även på andra planeter med tjock atmosfär, O 2 är svårt att få tag på.
Så, när vi utforskar rymden, vi måste ta med vår egen syreförsörjning. Det är inte idealiskt eftersom det krävs mycket energi för att hissa upp saker i rymden ovanpå en raket, och när förråden tar slut, det är borta.
Ett ställe som molekylärt syre dyker upp utanför jorden är i gasen som strömmar från kometer. Källan till det syret förblev ett mysterium tills för två år sedan när Konstantinos P. Giapis, en professor i kemiteknik vid Caltech, och hans postdoktor Yunxi Yao, föreslog att det skulle finnas en ny kemisk process som kunde förklara dess produktion. Giapis, tillsammans med Tom Miller, professor i kemi, har nu visat en ny reaktion för att generera syre som Giapis säger kan hjälpa människor att utforska universum och kanske till och med bekämpa klimatförändringar hemma. Mer fundamentalt dock, han säger att reaktionen representerar en ny typ av kemi som upptäckts genom att studera kometer.
De flesta kemiska reaktioner kräver energi, som vanligtvis tillhandahålls som värme. Giapis forskning visar att vissa ovanliga reaktioner kan uppstå genom att tillhandahålla kinetisk energi. När vattenmolekyler skjuts som extremt små kulor på ytor som innehåller syre, som sand eller rost, vattenmolekylen kan slita av det syret för att producera molekylärt syre. Denna reaktion sker på kometer när vattenmolekyler förångas från ytan och sedan accelereras av solvinden tills de kraschar tillbaka in i kometen med hög hastighet.
kometer, dock, släpper även ut koldioxid (CO 2 ). Giapis och Yao ville testa om CO 2 kan också producera molekylärt syre vid kollisioner med kometytan. När de hittade O 2 i strömmen av gaser som kommer från kometen, de ville bekräfta att reaktionen liknade vattens reaktion. De designade ett experiment för att krascha CO 2 på den inerta ytan av guldfolie, som inte kan oxideras och inte bör producera molekylärt syre. Ändå, O2 fortsatte att släppas ut från guldytan. Detta innebar att båda syreatomerna kommer från samma CO 2 molekyl, effektivt dela upp det på ett extraordinärt sätt.
"Vid den tiden trodde vi att det skulle vara omöjligt att kombinera de två syreatomerna i en CO 2 molekyl tillsammans eftersom CO 2 är en linjär molekyl, och du måste böja molekylen kraftigt för att den ska fungera, " säger Giapis. "Du gör något riktigt drastiskt med molekylen."
För att förstå mekanismen för hur CO 2 bryts ner till molekylärt syre, Giapis kontaktade Miller och hans postdoktor Philip Shushkov, som designade datorsimuleringar av hela processen. Att förstå reaktionen utgjorde en betydande utmaning på grund av den möjliga bildningen av exciterade molekyler. Dessa molekyler har så mycket energi att deras ingående atomer vibrerar och roterar runt i enorm grad. All den rörelsen gör det svårare att simulera reaktionen i en dator eftersom atomerna i molekylerna rör sig på komplexa sätt.
I Giapis reaktor, koldioxid omvandlas till molekylärt syre. Kredit:Caltech
"I allmänhet, exciterade molekyler kan leda till ovanlig kemi, så vi började med det, " säger Miller. "Men, till vår förvåning, det exciterade tillståndet skapade inte molekylärt syre. Istället, molekylen sönderdelas till andra produkter. I sista hand, fann vi att en kraftigt böjd CO 2 kan också bildas utan att excitera molekylen, och det kan producera O 2 ."
Apparaten Giapis designad för att utföra reaktionen fungerar som en partikelaccelerator, vrida CO 2 molekyler till joner genom att ge dem en laddning och sedan accelerera dem med hjälp av ett elektriskt fält, om än vid mycket lägre energier än vad som finns i en partikelaccelerator. Dock, han tillägger att en sådan anordning inte är nödvändig för att reaktionen ska inträffa.
"Du kan kasta en sten med tillräckligt hög hastighet vid någon CO 2 och uppnå samma sak, " säger han. "Den skulle behöva färdas ungefär lika snabbt som en komet eller asteroid färdas genom rymden."
Det kan förklara förekomsten av små mängder syre som har observerats högt upp i Mars atmosfär. Det har förekommit spekulationer om att syret genereras av ultraviolett ljus från solen som träffar CO 2 , men Giapis tror att syret också genereras av höghastighetsdammpartiklar som kolliderar med CO 2 molekyler.
Han hoppas att en variant av hans reaktor skulle kunna användas för att göra samma sak i mer användbar skala - kanske en dag fungera som en källa till andningsluft för astronauter på Mars eller användas för att bekämpa klimatförändringar genom att dra CO2. 2 , en växthusgas, ut ur jordens atmosfär och förvandlar den till syre. Han erkänner, dock, att båda dessa applikationer är långt borta eftersom den nuvarande versionen av reaktorn har ett lågt utbyte, skapar bara en till två syremolekyler för varje 100 CO 2 molekyler sköt genom acceleratorn.
"Är det en slutlig enhet? Nej. Är det en enhet som kan lösa problemet med Mars? Nej. Men det är en enhet som kan göra något som är väldigt svårt, " säger han. "Vi gör några galna saker med den här reaktorn."
Uppsatsen som beskriver teamets resultat, med titeln "Direkt dioxygenutveckling vid kollisioner av koldioxid med ytor, " visas i numret av 24 maj Naturkommunikation .
