Научно-фантастические рассказы полны описаний терраформирования и генераторов кислорода из-за важного факта: людям нужен молекулярный кислород (O2) для дыхания, а космос в основном лишен его. Даже на других планетах с густой атмосферой найти O2 непросто.
Изучая Космос, необходимо брать с собой кислород. Это не лучший вариант, так как запуск предметов в космос требует много энергии, а когда запасы истощаются, более ничего невозможно сделать.
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 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. По словам Giapis, эта реакция может помочь людям исследовать вселенную и, возможно, бороться с изменением климата на Земле. Более фундаментально, однако, он говорит, что реакция представляет новый вид химии, обнаруженной при изучении комет.
Большинство химических процессов требуют энергии, которую часто подают в виде тепла. Исследования Джиаписа демонстрируют возможность необычных реакций, получающих кинетическую энергию. Когда молекулы воды, подобно маленьким пулям, ударяют по поверхности, богатой кислородом, например песку или ржавчине, молекула воды может отрывать этот кислород, формируя молекулярный кислород. Такая реакция происходит на кометах, где молекулы воды испаряются с поверхности и затем ускоряются солнечным ветром до тех пор, пока не столкнутся с кометоидной массой на высокой скорости.
Кометы выделяют углекислый газ (CO2). Джапис и Яо проверяли, может ли CO2 производить молекулярный кислород при столкновениях с поверхностью кометы. Обнаружив O2 в потоке газов из кометы, они стремились подтвердить, что реакция похожа на реакцию воды. Для этого разработали эксперимент: разбили 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.
Тогда считалось невозможным соединить два атома кислорода в молекуле CO2, поскольку CO2 – линейная молекула и её нужно было бы сильно деформировать для такого действия, — объясняет Джиапис. — Это весьма радикальное вмешательство в структуру молекулы.
Для изучения процесса распада CO2 на молекулярный кислород Giapis обратился к Миллеру и его ученику Филиппу Шушкову, который создал компьютерное моделирование всего процесса. Понимание реакции представляет собой серьезную проблему из-за возможного образования возбужденных молекул, имеющих большое количество энергии, что приводит к сильным колебаниям и вращению атомов внутри них. Все это движение усложняет моделирование реакции на компьютере, поскольку атомы внутри молекул движутся сложным образом.
«В целом, возбужденные молекулы могут порождать необычную химию, поэтому мы начали с этого», — рассказывает Миллер. «Но к нашему удивлению, возбужденное состояние не создавало молекулярный кислород. Вместо этого молекула распалась на другие вещества. В итоге мы выяснили, что сильно изогнутый СО2 также может образовываться без возбуждения молекулы, и это может производить O2».
Аппарат Giapis, применяемый для протекания реакции, функционирует как ускоритель частиц: преобразует молекулы CO2 в ионы, заряжает их, а затем ускорением электрическим полем запускает, хоть и при значительно меньших энергиях, чем в обычном ускорителе. Но добавляет также, что такое устройство не обязательно для осуществления реакции.
Он утверждает, что можно запустить камень с такой скоростью при малом объёме CO2, чтобы добиться аналогичного эффекта. По его словам, это движение должно было бы быть таким же стремительным, как у кометы или астероида в космическом пространстве.
Наличие небольшого количества кислорода в атмосфере Марса может быть объяснено. Предполагается, что кислород вырабатывается ультрафиолетовым светом Солнца при взаимодействии с CO2. Гиапис полагает также, что кислород генерируется высокоскоростными пылевыми частицами, сталкивающимися с молекулами CO2.
Он мечтает, чтобы его конструкция реактора приносила пользу в более широком масштабе — возможно, когда станет источником свежего воздуха для марсианских космонавтов или поможет бороться с изменением климата: поглощая из атмосферы Земли CO2, парниковый газ, и превращая его в кислород. Но признаёт, что этим направлениям ещё предстоит пройти долгий путь, ведь текущий вариант реактора обладает низким выходом, производя всего одну-две молекулы кислорода на каждые 100 молекул СО2, прошедших через ускоритель.