นักวิทยาศาสตร์จีนพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่เปลี่ยนบรรยากาศของดาวอังคารให้เป็นเชื้อเพลิงเหลว

นักวิทยาศาสตร์จีนได้พัฒนากระบวนการเร่งปฏิกิริยาที่สามารถเปลี่ยนบรรยากาศที่เบาบางของดาวอังคารให้เป็นเมทานอลที่มีหลาย用途 ทีมงานจาก Hefei Deep Space Exploration Laboratory ได้พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีจุดเร่งปฏิกิริยาสองจุด โดยการรวมทองแดงและโซเดียมเข้ากับวัสดุรองรับผลึกที่มีรูพรุน เพื่อเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์และไฮโดรเจน (ที่มาจากน้ำแข็งในท้องถิ่น) ให้เป็นเชื้อเพลิงเมทานอล ในการทดสอบ ตัวเร่งปฏิกิริยาเสริมโซเดียมนี้สามารถผลิตเมทานอลได้ 245 กรัมต่อกิโลกรัมของตัวเร่งปฏิกิริยาในหนึ่งชั่วโมง รายงานระบุว่าผลผลิตนี้สูงกว่าการใช้ทองแดงเพียงอย่างเดียวถึง “11 เท่า” วัสดุดังกล่าวยังช่วยลดผลผลิตรองที่ไม่จำเป็น และรักษาประสิทธิภาพที่เสถียรในระหว่างการทดสอบ 12 ชั่วโมง

บทบาทพลังงานหลาย用途ของเมทานอล

เมทานอลเป็นทางออกในการรักษาฐานนอกโลก สามารถใช้เป็นพลังงานที่เชื่อถือได้สำหรับการผลิตไฟฟ้า การทำความร้อน และการขับเคลื่อนยานสำรวจดาวเคราะห์

นักวิจัยได้เขียนในเอกสารวิจัยว่า “ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ได้รับการปรับแต่ง โดยเฉพาะ MOF-808-NaCu ได้เพิ่มประสิทธิภาพของปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจนของคาร์บอนไดออกไซด์อย่างมีนัยสำคัญ โดยให้ผลผลิตเมทานอลที่ 245 g·kgcat –1 ·h –1” พวกเขาเสริมว่า “การค้นพบเหล่านี้ชี้ให้เห็นถึงบทบาทส่งเสริมของจุดเร่งปฏิกิริยาของโลหะอัลคาไลที่อยู่ติดกันในตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีจุดเร่งปฏิกิริยาสองจุด และให้กลยุทธ์การออกแบบวัสดุสำหรับการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ที่มีประสิทธิภาพในอนาคตสำหรับการสำรวจดาวอังคาร”

การสร้างที่อยู่อาศัยของมนุษย์บนดาวอังคารเป็นความฝันสูงสุดของชีวิตนอกโลก แต่ความท้าทายด้านลอจิสติกส์นั้นยิ่งใหญ่ บรรยากาศของดาวอังคารประกอบด้วยคาร์บอนไดออกไซด์มากกว่า 95% ทำให้การอยู่รอดเป็นเรื่องยาก การขนส่งเชื้อเพลิงหลายพันตันจากโลกข้ามระยะทางหลายล้านกิโลเมตรในอวกาศลึกนั้นมีค่าใช้จ่ายสูงมาก ดังนั้นผู้ตั้งถิ่นฐานในอนาคตจึงต้องผลิตสิ่งจำเป็นโดยตรงบนดาวเคราะห์สีแดง อนาคตนี้ต้องการการวิจัยอย่างกว้างขวางบนโลก นักวิจัย Zhang Zhe และทีมของเขาได้สังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีจุดเร่งปฏิกิริยาสองจุดชื่อ MOF-808-NaCu วัสดุนี้อิงจากกรอบโลหะอินทรีย์ที่มีรูพรุน (MOF-808) โดยการจับคู่ทองแดงกับโซเดียมที่อยู่ใกล้เคียงโดยตรง

โซเดียมทำหน้าที่เหมือนแม่เหล็กเคมี ดึงดูดโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์ที่เข้ามาและเปลี่ยนโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของมัน เพื่อยึดไว้ในตำแหน่งเพื่อให้จุดทองแดงที่อยู่ติดกันสามารถใช้ไฮโดรเจนที่แยกออกจากน้ำแข็งในท้องถิ่นทำปฏิกิริยาเติมไฮโดรเจนได้

ข้อดีของเมทานอลเมื่อเปรียบเทียบกับมีเทน

หน่วยงานอวกาศเช่น NASA และผู้รับเหมาส่วนตัวเช่น SpaceX ได้พึ่งพาตัวเร่ง Sabatier เพื่อผลิตเชื้อเพลิงมีเทนมานาน มีเทนเป็นเชื้อเพลิงที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับการขับเคลื่อนจรวด แต่การเก็บรักษาต้องใช้ระบบทำความเย็นที่ซับซ้อนในอุณหภูมิ -257.8 องศาฟาเรนไฮต์ (-161 องศาเซลเซียส) เพื่อให้มันอยู่ในสถานะของเหลว

เมทานอลเมื่อเปรียบเทียบกับมีเทนเสนอทางเลือกที่ใช้งานได้มากกว่า เนื่องจากมันสามารถรักษาสถานะของเหลวได้ที่อุณหภูมิและความดันปกติ การผลิตสารเคมีในสถานะของเหลวที่มีเสถียรภาพโดยไม่ต้องใช้ระบบทำความเย็นขนาดใหญ่ จะทำให้ฐานบนดาวอังคารมีสำรองพลังงานหลาย用途ที่พร้อมใช้งานสำหรับการผลิตไฟฟ้า การทำความร้อน การขนส่งทางบก และการผลิตอุตสาหกรรม นอกจากจะเป็นเชื้อเพลิงแล้ว เมทานอลยังสามารถใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตสารป้องกันการแข็งตัว วัสดุก่อสร้าง และผลิตภัณฑ์ที่จำเป็นต่างๆ

ตั้งแต่ยานสำรวจ Tianwen-1 ลงจอดในปี 2021 โครงการอวกาศของจีนได้พัฒนาอย่างรวดเร็ว ด้วยภารกิจ Tianwen-3 ที่กำลังจะมาถึงซึ่งมีแผนจะเก็บตัวอย่างจากดาวอังคารเป็นครั้งแรก การพัฒนาเทคโนโลยีการใช้ทรัพยากรในสถานที่ (ISRU) จึงเป็นทางเลือกที่มีเหตุผลสำหรับขั้นตอนถัดไป อย่างไรก็ตาม ก่อนที่ตัวเร่งปฏิกิริยานี้จะสามารถนำไปใช้ในอวกาศได้ ยังมีความท้าทายด้านวิศวกรรมบางประการ โดยเฉพาะวิศวกรต้องออกแบบคอมเพรสเซอร์ที่มีน้ำหนักเบาเพื่อดักจับและอัดอากาศที่เบาบางของดาวอังคาร โดยรวมแล้ว นักวิทยาศาสตร์ได้พิสูจน์ว่าความอยู่รอดบนดาวอังคารอาจขึ้นอยู่กับการเรียนรู้การใช้ทรัพยากรที่มีอยู่แล้ว

อนาคตของการสำรวจดาวอังคารและการใช้ทรัพยากร

ความสำเร็จของการสำรวจดาวอังคารขึ้นอยู่กับความสามารถในการใช้ทรัพยากรในท้องถิ่นอย่างมีประสิทธิภาพ การศึกษานี้แสดงให้เห็นถึงวิธีการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศของดาวอังคารให้เป็นเมทานอล ซึ่งจะเป็นแหล่งพลังงานสำหรับฐานนอกโลกในอนาคต เมื่อเปรียบเทียบกับการผลิตมีเทนแบบดั้งเดิม คุณสมบัติของเหลวของเมทานอลทำให้มันเก็บรักษาและใช้งานได้ง่ายกว่าในอุณหภูมิและความดันปกติ ซึ่งมีความสำคัญต่อสภาพแวดล้อมการอยู่รอดบนดาวอังคาร ด้วยการพัฒนาโครงการอวกาศของจีน เทคโนโลยีนี้อาจกลายเป็นก้าวสำคัญในการสร้างที่อยู่อาศัยของมนุษย์บนดาวอังคาร