Поэтому, когда мы исследуем космос, нам нужно принести свой запас кислорода. Это не идеально, потому что для поднятия вещей в космос на ракете требуется много энергии, и как только запас заканчивается, он исчезает.
Одно место, где молекулярный кислород появляется за пределами Земли, находится в пучках газа, вытекающего из комет. Источник этого кислорода оставался загадкой до тех пор, пока два года назад профессор химического машиностроения в Калифорнийском технологическом институте Константинос П. Джапис и его научный сотрудник Юньси Яо не предложили существование нового химического процесса, который мог бы объяснить его производство. Giapis вместе с Томом Миллером, профессором химии, теперь продемонстрировали новую реакцию для генерирования кислорода, которая, по словам Giapis, может помочь людям исследовать вселенную и, возможно, даже бороться с изменением климата дома. Более фундаментально, однако, он говорит, что реакция представляет новый вид химии, обнаруженной, изучая кометы.
Большинство химических реакций требуют энергии, которая обычно предоставляется в виде тепла. Исследования Джиаписа показывают, что некоторые необычные реакции могут происходить, обеспечивая кинетическую энергию. Когда молекулы воды попадают, как чрезвычайно маленькие пули, на поверхности, содержащие кислород, такие как песок или ржавчина, молекула воды может отрывать этот кислород, чтобы произвести молекулярный кислород. Эта реакция происходит на кометах, когда молекулы воды испаряются с поверхности и затем ускоряются солнечным ветром до тех пор, пока они не столкнутся с кометой на высокой скорости.
Кометы, однако, также выделяют углекислый газ (CO2). Джапис и Яо хотели проверить, может ли CO2 также производить молекулярный кислород при столкновениях с поверхностью кометы. Когда они обнаружили O2 в потоке газов, выходящих из кометы, они хотели подтвердить, что реакция похожа на реакцию воды. Они разработали эксперимент, чтобы разбить CO2 на инертную поверхность золотой фольги, которая не может быть окислена и не должна производить молекулярный кислород. Тем не менее O2 продолжал выделяться с поверхности золота. Это означало, что оба атома кислорода происходят из одной молекулы CO2, эффективно расщепляя ее необычным образом.
«В то время мы думали, что было бы невозможно объединить два атома кислорода молекулы CO2 вместе, потому что CO2 является линейной молекулой, и вам пришлось бы сильно согнуть молекулу, чтобы она заработала», — говорит Джиапис. «Вы делаете что-то действительно радикальное для молекулы».
Чтобы понять механизм того, как CO2 распадается на молекулярный кислород, Giapis обратился к Миллеру и его докторанту Филиппу Шушкову, который разработал компьютерное моделирование всего процесса. Понимание реакции представляет собой серьезную проблему из-за возможного образования возбужденных молекул. Эти молекулы имеют так много энергии, что составляющие их атомы колеблются и вращаются вокруг в огромной степени. Все это движение делает моделирование реакции в компьютере более сложным, потому что атомы внутри молекул движутся сложным образом.
«В общем, возбужденные молекулы могут привести к необычной химии, поэтому мы начали с этого», — говорит Миллер. «Но, к нашему удивлению, возбужденное состояние не создавало молекулярный кислород. Вместо этого молекула разложилась на другие продукты. В конечном счете, мы обнаружили, что сильно изогнутый СО2 также может образовываться без возбуждения молекулы, и это может производить O2».
Аппарат Giapis, предназначенный для проведения реакции, работает как ускоритель частиц, превращая молекулы CO2 в ионы, давая им заряд, а затем ускоряя их с помощью электрического поля, хотя и при гораздо более низких энергиях, чем в ускорителе частиц. Однако он добавляет, что такое устройство не является необходимым для возникновения реакции.
«Вы можете бросить камень с достаточной скоростью при небольшом количестве CO2 и достичь того же», — говорит он. «Это должно было бы путешествовать так же быстро, как комета или астероид путешествуют в космосе».
Это может объяснить присутствие небольшого количества кислорода, который наблюдался в атмосфере Марса. Существует предположение, что кислород генерируется ультрафиолетовым светом от солнца, падающего на CO2, но Гиапис полагает, что кислород также генерируется высокоскоростными пылевыми частицами, сталкивающимися с молекулами CO2.
Он надеется, что вариант его реактора может быть использован для того же действия в более полезных масштабах — возможно, когда-нибудь, когда он станет источником дышащего воздуха для астронавтов на Марсе или будет использоваться для борьбы с изменением климата, вытягивая CO2, парниковый газ из атмосферы Земли и превращения его в кислород. Однако он признает, что обоим этим приложениям еще далеко, потому что текущая версия реактора имеет низкий выход, создавая только одну-две молекулы кислорода на каждые 100 молекул СО2, выпущенных через ускоритель.