Çarpışma CO2'den oksijen üretir

Kimyacılar daha önce bilinmeyen karbon dioksit bozulmalarını moleküler oksijene keşfettiler

Daha önce bilinmeyen bir bozulma yolu karbon dioksitin moleküler oksijen ve karbon ile çarpışması üzerine çökmesine neden olur - bu da gelecekteki astronotlara fayda sağlayabilir. © NASA / scinexx
Yüksek sesle okuma

Astronotlar için soluma gazı: Araştırmacılar, karbon dioksitin ek kimyasallara gerek kalmadan kolayca moleküler oksijene nasıl çevrilebileceğini keşfettiler. Bu nedenle CO2'yi inert bir yüzeyde yüksek hızda çekmek yeterlidir. CO2'nin bir kısmı moleküler 02 ve bir karbon atomunda ayrışır. Daha önce bilinmeyen bu reaksiyon bazı kuyruklu zarfların neden oksijen içerdiğini açıklayabilir ve gelecekteki Mars astronotlarına oksijen sağlar.

Oksijen (O2) bugün dünyanın atmosferinde bol miktarda bulunur, ancak uzayda bu solunum gazı nadirdir: Ne komşu gezegenlerimizin gaz ceplerinde ne de güneş sisteminde başka hiçbir yerde O2'nin küçük izlerinden daha fazla bulunamamıştır. Gelecekte Ay ve Mars'taki astronotlar için, bu, mümkünse yerel olarak buldukları hammaddelerden nefes almaları ve kendilerini yakmaları için ihtiyaç duydukları oksijeni üretmeleri gerektiği anlamına geliyor.

Uygun başlangıç ​​malzemeleri su, silikatlar ve aynı zamanda karbondioksittir. Son iki oksijen atomunu öldürmek ve bunları birbirine bağlamak için, ancak çok fazla enerji ve en az bir ek reaktif gereklidir - en azından şu ana kadar düşünülmüş.

CO2'nin O2 ve C'ye yeniden düzenlenmesi ve ayrışması © Caltech

Kuyruklu yıldız oksijen için bilmece

Ancak Pasadena'daki California Institute of Technology'den Yunxi Yao ve ekibinin keşfettiği gibi daha da kolay. Çalışmalarına ivme kazandıran Churyumov-Gerasimenko kuyrukluyıldızının gaz zarfındaki moleküler oksijenin uzay aracı Rosetta tarafından şaşırtıcı bir şekilde saptanmasıydı. Araştırmacılar, "Bu keşif, aşırı ortamlarda O2'yi serbest bırakabilen abiyotik reaksiyonlara ilgi uyandırdı" dedi.

Bu reaksiyonlardan biri teorik olarak CO2'nin O2 ve bir karbon atomuna doğrudan ayrışması olacaktır. Modeller, hızlı gaz moleküllerinin - örneğin bir kuyruklu yıldızın kabuğundaki - çarpışmalarının bu ayrışma için yeterli enerji sağlayabileceğini düşündürmektedir. Bununla birlikte sorun, “bu reaksiyonun CO2 molekülünde kapsamlı moleküler düzenlemeler gerektirmesi” şeklinde olması Yao'nun meslektaşı Konstantinos Giapis. CO2 molekülü doğrusal olduğu için, iki oksijen atomunu temasa sokması için bükülmesi çok zor olacaktır. ekran

CO2 bombardımanı altında altın

Giapis, “Bir CO2 molekülünün iki oksijen atomunu bu şekilde birleştirmenin imkansız olduğunu düşündük” diyor. “Sonuçta, bu molekülle ilgili oldukça sert bir şey yapmalısınız.” Yine de, araştırmacılar numuneyi teste tabi tuttu ve bir altın folyo üzerinde vakumda bir CO2 molekülü akışı çekti. İnert altın, hiçbir koşul altında, alt toprağın kendisinin oksijen açığa çıkarmamasını veya bu çarpışmada bir reaksiyon ortağı olarak hizmet etmemesini sağlamıştır.

Sonuç: CO2 moleküllerinin bir kısmı tamamen tek atomlarına veya karbon monoksit ve atomik oksijene ayrıştırılmıştır. Bununla birlikte, küçük bir parça aslında katalizörler olmadan veya sadece ihtiyaç duyulan etki enerjisinden daha fazla olmayan O2'ye değiştirildi. Tek başına çarpışma olan CO2 akışı, araştırmacıların rapor ettiği gibi yüzde bir ila iki moleküler oksijen üretti.

Üçgene bükülmüş

Bu görünüşte imkansız dönüşüm nasıl mümkün oldu? Gözlem verileri ve fiziksel modeller kullanılarak yapılan analizler, karbondioksit molekülündeki çarpışmadan sonra ne olduğunu ortaya çıkardı. Yao ve ekibi, “Öncelikle, önde gelen oksijen atomu, yeraltındaki altın atomuyla çarpışır, ardından CO molekülü artığının etkisi görülür” diye açıklıyor. Çoğu durumda, önde gelen oksijen atomu ayrılır ve karbon monoksit oluşur.

Altın bir yüzeye CO2 çarpmasından sonra farklı reaksiyon ürünlerinin oranı. O Yao ve diğ. / Doğa İletişimi, CC-by-sa 4.0

Ancak çarpışmaların yüzde beşinde, CO2 molekülü başlangıçta bozulmadan kalır, ancak aşırı derecede deforme olur. Araştırmacılar, "Bu molekül içi yeniden yapılanma sırasında CO2, atomlar arasında neredeyse eşit bağlanma uzunluğuna sahip üçgen bir konfigürasyon elde ediyor" diyor. Sonuç olarak, her iki oksijen atomu da çok yaklaşıyor ve bağlayıcı yeniden düzenleme var: “Molekül serbest karbon atomuna ve bir O2 molekülüne ayrışıyor” dedi Yao ve ekibi.

Daha önce bilinmeyen reaksiyon yolu

Böylece, araştırmacılar tamamen yeni bir CO2 ayrışması çeşidi ve CO2'den moleküler oksijen elde etmenin doğrudan bir yolunu buldular. Bilim adamları, "Bu süreç, şaşırtıcı bir şekilde, çarpışma yüzeyinin doğasından ve sıcaklığından bağımsız olan önceden bilinmeyen bir molekül içi yolu içerir" diyor. Reaksiyonu tetiklemek için gaz moleküllerini hızlandırmak ve bir engele çarpmak yeterlidir.

Giapis, “Yeterince hızlı bir şekilde bir CO2'yi bir kayaya bile atabilir ve aynısını yaparsınız - kaya, yalnızca uzayda bulunan bir kuyruklu yıldız veya asteroit kadar hızlı olması gerekirdi” diye açıklıyor Giapis. “Bu reaksiyon, CO2 atmosferli kuyruklu yıldızlar, aylar ve gezegenler gibi astrofiziksel ortamlarla ilgili olabilir.” Bu bozunma yolu, Churyumov-Gerasimenko'nun gaz zarfındaki moleküler oksijenin nereden geldiğini de açıklayabilir.

Mars astronotları için solunum gazı mı?

Reaksiyon, araştırmacıların açıkladığı gibi, örneğin Mars'taki gelecekteki astronotlar tarafından da faydalı olabilir. Bu ayrışmayı kızıl gezegenin CO2 atmosferinden solunum gazı üretmek için kullanabilirler. Ancak, bilim insanlarının da kabul ettiği gibi, oksijen verimi hala çok düşük: “Bu, Mars'taki oksijen sorununu çözebileceğimiz bir cihaz mı? Hayır! Ancak bu çok zor olabilen bir yöntemdir, "dedi Yao ve arkadaşları.

Ve onları başka yollarla birleştirerek, yeni keşfedilen yol Mars'ta bile yararlı olabilir. (Nature Communications, 2019: doi: 10.1038 / s41467-019-10342-6)

Kaynak: California Teknoloji Enstitüsü

- Nadja Podbregar