Mars'tan Dünya'ya dönüş yolculuğu için astronotların Kızıl Gezegen atmosferindeki karbondioksitten doğrudan dönüştürülen roket yakıtı kullanabileceği bildirildi. Yakın zamanda yayımlanan bir çalışmaya göre bu dönüşüm elektrokimyasal indirgeme tekniğiyle gerçekleştirilebiliyor.
Yöntem temelde elektrolize dayanıyor; yani kimyasal bir reaksiyonu tetiklemek için elektrik akımı uygulanıyor. Yeni yaklaşımın farkı, sıvı itici olarak kullanılabilecek kadar saf metan üretebilmesi. Günümüzde sıvı oksijen ve sıvı metan yakan çok sayıda roket motoru bulunuyor; SpaceX'in Mars'a ulaşmak için geliştirdiği Starship'i güçlendiren Raptor motorları da bunlardan.
Texas A&M Üniversitesi'nde makine mühendisliği doktora öğrencisi ve çalışmanın University of Mississippi kimya mühendisi Ahmed Badreldin liderliğindeki ekip üyesi Carter Racine bir açıklamada, "Yaptığımız iş temelde CO2'yi alıp elektriği kullanarak karbon içeren yakıtlara ve kimyasallara dönüştürmek" dedi.
Badreldin ekledi: "Mars'a Dünya'dan ihtiyacınız olan her şeyi taşıyamazsınız, çünkü her ek kilogram fırlatma ve Dünya'nın yerçekiminden kurtulma maliyetini ve karmaşıklığını büyük ölçüde artırır." "O zaman soru şu oluyor: Uzay keşfi için gerekli yakıtları ve kimyasalları varış noktasında zaten mevcut olan kaynaklardan nasıl üretiriz?"
Bir yanıt elektrokimyasal indirgeme. Bu işlem bir elektrolizörde gerçekleşiyor; elektronlar negatif yüklü anot ile pozitif yüklü katot arasında akıyor. Anotta su oksitleniyor, yani bir elektron kaybediyor ve bu elektron karbondioksite katotta aktarılıyor. Karbondioksitin bir atomu elektron kazanarak kimyagerlerin "indirgenmiş" olarak adlandırdığı hale geliyor; oksidasyon durumu düşüyor. Ardından oksitlenmiş su moleküllerinden ayrılan hidrojen ve oksijen atomlarıyla reaksiyona girebiliyor.
Anot bir katalizör içeriyor ve katalizör malzemesinin seçimi, indirgenmiş karbonun hidrojen ve oksijenle reaksiyonu sonucu hangi karbon bazlı bileşiklerin oluşacağını belirliyor. Örneğin altın katalizör karbon monoksit üretimine yol açarken, bakır alkol, etanol ve metan dahil daha karmaşık bileşikler üretiyor.
Badreldin ekibinin çalışmalarını önceki deneylerden ayıran şey, neredeyse saf metan üretebilen azotla katkılanmış nanometre ölçekli bir bakır katalizör geliştirmiş olmaları.
Karbondioksitin elektrokimyasal indirgenmesiyle Dünya'da metan üretimi daha önce de yapıldı. Sorun, bu yöntemlerin metanın yanı sıra çok sayıda yan ürün de üretmesiydi. Dünya'da metanı istenmeyen diğer bileşiklerden ayıran karmaşık ekipmanlar var, ancak her kilogramın önemli olduğu Mars'a astronotların böyle hantal cihazları götürmesi mümkün değil. Metanın roket yakıtında sıvı itici olarak kullanılabilmesi için saf olması gerekiyor.
Badreldin ekibinin kullandığı özel bakır katalizör, diğer bileşikler yerine metanı öncelikli olarak üretebiliyor ve böylece rafine etmeye gerek kalmadan saf metan oluşturuyor. Mars'ta kullanılacak bol miktarda karbondioksit de var: Mars atmosferi seyrek olsa da bileşiminin %96'sı karbondioksit.
Astronotlar hiç Mars'a gitmese bile bu tekniğin Dünya'daki yararı açık. Doğal gaz için sondaj yapmak yerine atmosferimizdeki karbondioksitten metan üretebiliyoruz.
Racine, "Bunu istememizin nedeni şu anda bu karbon bazlı ürünlerin büyük kısmının nihayetinde bakir fosil kaynaklardan gelmesi" dedi. "Eğer bunları yakalanmış CO2 ve yenilenebilir elektrik kullanarak üretebilirsek, bakir fosil karbon bağımlılığını azaltabilir ve karbon döngüsünü kapatmaya yardımcı olabiliriz."
Bu nedenle elektrokimyasal indirgeme, Dünya'da karbon tutma tekniği olarak da öneriliyor; karbondioksiti atmosferden çekiyor ve burada istenmeyen bir sera gazı olarak etki ediyor.
Sorun şu ki, yakıt olarak yakılmak üzere karbondioksiti metana dönüştürmek, o karbondioksiti doğrudan atmosfere geri salıyor ve net sıfır bir döngü oluşturuyor. İdeal olarak o karbondioksiti uzun süre atmosferden uzak tutmak istiyoruz, ancak Badreldin teknolojinin henüz hazır olmadığını düşünüyor.
"Nihayetinde ilgilendiğimiz şey, CO2'yi basitçe geri dönüştürmenin ötesine geçip net-negatif olan yollara doğru ilerleyip ilerleyemeyeceğimizi görmek" dedi. "Bu, CO2'yi karbon kaynağı olarak kullanırken onu karbonun uzun süre depolandığı veya kullanıldığı, hemen atmosfere geri salınmadığı ürünlere dönüştürmek anlamına geliyor."
İklim değişikliğini hafifletmenin en iyi yolunun metan da dahil tüm fosil yakıtların yakılmasını durdurmak olduğu belirtilmeli. Bununla birlikte, sondaj yapmak yerine elektrokimyasal karbondioksit indirgemesiyle üretilen metanın net sıfır bir süreçte kullanılması, fosil yakıtlardan yenilenebilir kaynaklara geçiş döneminde yardımcı olabilir.
Bu araştırmayı bildiren çalışma Nisan ayında ACS Catalysis dergisinde yayımlandı.
