Реакция сабатье для космоса
Хьюстон, проблемы больше нет: российские ученые нашли способ переработать углекислый газ на МКС в воду
Ученые из Научно-исследовательского и конструкторского института химического машиностроения одним открытием решили сразу две проблемы космонавтов: обеспечили дополнительным источником воды и избавили от пагубного влияния углекислого газа. Дыхание космонавтов теперь превратится в жидкость.
Дышать и пить – недешевое удовольствие
Для полноценного функционирования МКС требуется 3-6 человек. По подсчетам ученых, для жизни им понадобится 9000 литров воды в год. Такая цифра значительно увеличивает вес системы жизнеобеспечения и сокращает дальность полета, поэтому возможность орбитальных и межпланетных полетов в будущем связана с безотходным производством на корабле.
Исследователи бьются над тем, чтобы все вещества были переработаны для получения других необходимых веществ. Например, воду можно извлекать из всех водосодержащих продуктов жизнедеятельности человека (урина, то есть моча; пот и выдыхаемая влага).
Сейчас на МКС используются следующие способы регенерации воды:
– Конденсация влаги из воздуха. На МКС установлена аппаратура, которая конденсирует (превращает газообразное вещество в жидкое) воздух во влагу. Космонавты выделяют до 2,5 литров жидкости в сутки.
– Очистка использованной воды. Для этого используются фильтры.
– Переработка урины и твердых отходов. Технология используется на МКС лишь с 2010 года.
Вода на МКС регенерируется примерно на 93%, поэтому объемы поставок существенно ниже, чем могли бы быть при отсутствии таких систем. Однако с каждым полным циклом использования воды ее общий объем уменьшается на 7%. Таким образом, несмотря на стремление к автономной работе, МКС все еще зависит от поставок жидкости с Земли.
Самое главное в процессе регенерации воды – ее очистка. Вся вода на корабле, в том числе оставшаяся после приготовления пищи, мытья и даже человеческий пот, собирается в дистиллятор с последующим охлаждением и конденсацией паров. Дистиллятор – это аппарат для перегонки и испарения жидкости, визуально он напоминает бочку. Чтобы он работал исправно, необходимо создать условия, близкие к земным, то есть гравитацию и тяготение. Для этого дистиллятор вращается, а грязная вода неоднократно проходит через фильтры. Результат – чистая питьевая вода, качеству которой могут позавидовать во многих уголках Земли.
Чтобы предотвратить размножение микробов и бактерий, в воду добавляют йод. От применения хлора, которым активно пользуются на Земле, космонавты отказались по причине агрессивности этого химического элемента. Использование йода выходит в несколько раз дороже. Из полученной воды кислород можно извлечь методом электролиза: под действием тока с помощью электродов вода разлагается на кислород и водород.
Пот и моча для двигателей МКС
За пальму первенства в оптимизации этих процессов сражаются американские и российские ученые. И если очищать воду лучше получается у американских специалистов, то вырабатывать кислород из полученной воды – у наших. Например, сейчас около 30% очищенной американским сектором МКС воды поступает в российские аппараты для дальнейшего производства кислорода.
Разработкой и производством комплексных систем жизнеобеспечения занимаются целые научно-исследовательские институты. Например, комплекс физико-химических регенерационных систем жизнеобеспечения РСЖО НЛК, который был разработан Научно-исследовательским и конструкторским институтом химического машиностроения (НИИхиммаш), впервые был испытан в 1967-1968 годах.
Эта система в течение года помогала выжить экипажу из трех человек, которые находились в герметичном макете межпланетного корабля. В составе комплекса работали:
– системы регенерации воды и конденсата атмосферной влаги;
– система электролизного получения кислорода из регенерированной воды;
– системы очистки атмосферы от микропримесей, то есть от элементов и соединений, которые не входят в химическую формулу воздуха;
– системы очистки углекислого газа и его концентрирования и система утилизации углекислого газа путем его разложения на воду и метан.
Таким образом была подтверждена теория, что человек может длительное время находиться в изолированном пространстве и возобновлять необходимые для жизни ресурсы.
Читайте также из рубрики Наука: Российские ученые разработали парашют для эвакуации людей из небоскребов
Первые такие системы были установлены на советских пилотируемых космических кораблях под названием «Салют» и «Мир» уже в начале 70-х годов прошлого столетия. Работали они просто: конденсировали влагу из воздуха, а затем путем электролиза производили кислород. Стандартный набор.
Практически полный подобный комплекс регенерации воды и атмосферы впервые в истории был применен на орбитальной космической станции «Мир». Там не было лишь системы концентрирования и переработки углекислого газа. Однако это не помешало обеспечить длительное и эффективное функционирование станции в пилотируемом режиме. За все время существования комплекс позволил «сэкономить» более 58 кг доставляемых с Земли грузов. Если учесть, что доставка 1 кг груза на тот момент стоила около 5-6 тыс. долларов, первая полноценная система регенерации воды позволила снизить расходы примерно на 300 млн долларов.
Сейчас процесс несколько усложнился, так как к конденсируемой влаге добавили урину и твердые отходы. Но не пугайтесь – такая вода не используется для питья. Ее очищают для применения в работе двигателей и различных технических нужд, а также для выработки кислорода. Сначала ее регенерирует американский аппарат ECLSS, а затем отправляет в российскую систему преобразования кислорода из воды и американскую систему OGS (Oxygen Generation System). Оттуда выходит уже настоящий чистый кислород.
Углекислый газ и преждевременное старение
Из-за различных ограничений в ближайшем будущем возобновление воды и кислорода будет происходить только с помощью процессов, описанных выше. Выращивание растений для получения кислорода, воды и еды является задачей будущего, такой метод будет использоваться только на базах, которые разместят непосредственно на планетах.
Несмотря на это, цикл получения воды и кислорода на МКС еще не стал замкнутым на 100%. На борту корабля есть продукт жизнедеятельности человека, который практически не используется, – это углекислый газ.
Еще в 1912 году французский химик Поль Сабатье стал обладателем Нобелевской премии за изобретение, ключевым моментом в котором было открытие так называемой реакции Сабатье. Это реакция водорода с диоксидом углерода (углекислым газом) при высокой температуре и давлении в присутствии катализатора (химического вещества, ускоряющего реакцию, – в данном случае использовался никель) для производства метана и воды. Процесс Сабатье использовался и раньше, но во время производства кислорода на МКС оставшийся водород просто выбрасывают в открытый космос.
Система была несовершенна. Астронавту Роберту Бренту Терску принадлежит рекорд Канады по общей длительности пребывания в космосе. Его первый полет в 1996 году продлился 16 суток 21 час 48 минут 30 секунд. Второй полет в космос на этом корабле длился 187 суток 20 часов 41 минуту. И все бы ничего, но каждый день, проведенный на борту, был для Роберта Терска кошмаром – он рассказал, что страдал от головной боли, слабости, хрупкости костей, проблем с равновесием и замечал значительное ухудшение зрения. После шести месяцев в космосе, он заявил, что, вернувшись на Землю, почувствовал себя настоящим стариком. На момент завершения последнего для Терска полета в 2009 году ему было 56 лет. Преждевременное старение рассматривается как один из побочных эффектов космических путешествий. Целью того полета было выяснить, как реагирует организм космонавта на длительное пребывание в космосе, поэтому все страдания Роберт Терск просто терпел, став практически подопытным кроликом.
В том же году в Лейденском университете в Нидерландах было проведено исследование причин головных болей у космонавтов. Более 70% из 17 анонимно опрошенных астронавтов сообщили о головной боли во время космического полета, при этом лишь у четырех из них не было тошноты, рвоты, головокружения или других симптомов космического укачивания. Выяснилось, что главный противник хорошего самочувствия космонавтов на борту корабля – слабая циркуляция воздуха. Системы не справляются с работой, и астронавты дышат углекислым газом, концентрация которого давно превысила допустимую.
Длительное пребывание в таких условиях вызывает гиперкапнию – отравление углекислым газом. Это явление тесто связано со смещением кислотно-щелочного баланса организма, что чревато головными болями, нарушением работы сердца, диареей и сонливостью, а также с гипоксией – недостатком кислорода.
При гиперкапнии венозная кровь начинает усиленно притекать к сердцу, поэтому увеличивается объем крови, выбрасываемый каждую минуту. В результате повышается тонус вен и скелетной мускулатуры, перераспределяется кровоток, значительно увеличивается мозговой кровоток. Все это приводит к головным болям и снижению зрения. Резко выраженная гиперкапния приводит к нарушениям в проводящей системе сердца, падению тонуса периферических сосудов и к критическому снижению артериального давления.
На нервную систему гиперкапния оказывает по большей части депрессивное действие: понижается возбудимость спинномозговых центров, замедляется проведение возбуждения по нервным волокнам, увеличивается риск возникновения судорог, то есть эмоциональная стабильность и стремление к работе могут серьезно пострадать.
Перспективы исследования космоса предполагают длительные полеты и нахождение космонавтов в изолированном пространстве в течение нескольких лет. Это станет невозможным, если высокая концентрация углекислого газа будет воздействовать на организм космонавта в течение всего полета.
Работавший по программе семейной медицины в госпитале им. Королевы Елизаветы в Монреале Роберт Терск восстанавливал собственное здоровье в течение нескольких лет, а после этого решил, что космоса в его жизни было достаточно. В 2012 он году покинул отряд астронавтов, чтобы продолжить клинические исследования их состояния, основываясь на собственном опыте, уже на Земле. Играть на пианино и в хоккей вместе с семьей, как оказалось, намного безопаснее.
Замкнуть систему и спасти космонавтов
Российские ученые решили одним выстрелом убить сразу двух зайцев – не просто снизить концентрацию углекислого газа, а извлечь из него пользу. Разработчики НИИхиммаш планируют создать систему переработки углекислого газа в воду, которую можно будет использовать во время длительных космических полетов.
Раньше борьба с углекислым газом на борту космического корабля велась умеренная, ведь его концентрации считались допустимыми, однако сейчас организм космонавтов, как индикатор, говорит об обратном. Несмотря на высокую стоимость доставки такого аппарата на космическую станцию, исследователи все-таки приняли решение начать разработку: нельзя рисковать здоровьем.
По замыслу ученых, новую систему установят в одном из отсеков корабля. Она будет отбирать диоксид углерода (углекислый газ) из воздуха на космической станции с помощью вентиляционной системы, она распределена по периметру всего корабля. Углекислый газ в вентиляции будут захватывать поглотители системы «Воздух», сделанные из минералов цеолитов, которые благодаря своей кристаллической структуре способны поглощать и отдавать различные вещества.
Аппарат переработает диоксид углерода в метан (простейший по составу углеводород, бесцветный газ без запаха) и воду по реакции гидрирования. Как в знаменитой реакции Сабатье, только водород теперь пойдет на нужды космонавтов МКС, а не марсиан. Метан в этом случае будет выброшен за борт или переработан в формальдегид (вещество, которое в современной медицине используют как дезинфицирующее средство и консервант) и нелетучие моносахариды (простые углеводы).
С 2000 до 2010 годы на МКС было собрано и удалено 10250 кг углекислого газа. Если использовать реакцию Сабатье, то из этого углекислого газа можно было получить 4610 литров воды. Цифра неплохая, но такого количества воды для десятилетней жизни астронавтов все равно недостаточно, поэтому сейчас все усилия брошены на создание нового аппарата – по предварительным подсчетам, он превратит 10250 кг углекислого газа в 18380 литров воды, которой должно хватить на все нужды. Система позволит достичь 100% замкнутости системы обеспечения космонавтов водой и кислородом, а это первый шаг на пути к полной автономии существования в космосе. Но главное, что благодаря российским ученым космонавты смогут познавать Вселенную и делать жизнь людей на Земле интереснее без физических страданий.
Источник
Реакция Сабатье — Sabatier reaction
Реакция Сабатье или процесс Сабатье производит метан и воду в результате реакции водорода с диоксидом углерода при повышенных температурах (оптимально 300–400 ° C) и давлениях (возможно, 30 бар) в присутствии никелевого катализатора . Он был открыт французскими химиками Полем Сабатье и Жан-Батистом Сендеренсом в 1897 году. Возможно, рутений на оксиде алюминия (оксид алюминия) является более эффективным катализатором. Это описывается следующей экзотермической реакцией .
[<> \atop 400\ ^<\circ ><\ce 
[<> \ поверх 400 \ ^ <\ circ><\ ce
Существуют разногласия относительно того, происходит ли метанирование CO 2 путем сначала ассоциативной адсорбции адатома водорода и образования промежуточных соединений кислорода перед гидрированием или диссоциации и образования карбонила перед гидрированием.
Считается, что метанирование CO происходит по диссоциативному механизму, когда углеродно-кислородная связь разрывается до гидрирования, причем ассоциативный механизм наблюдается только при высоких концентрациях H 2 .
Реакция метанирования на различных металлических катализаторах, включая Ni, Ru и Rh, широко исследовалась для получения CH 4 из синтез-газа и других инициатив в области энергии для газа. Никель является наиболее широко используемым катализатором из-за его высокой селективности и низкой стоимости.
СОДЕРЖАНИЕ
Приложения
Создание синтетического природного газа
Метанирование — важный шаг в создании синтетического или замещающего природного газа (SNG). Уголь или древесина подвергаются газификации, в результате чего образуется генераторный газ, который должен подвергаться метанированию, чтобы получить пригодный для использования газ, который просто необходимо пройти заключительную стадию очистки.
Первый коммерческий завод по производству синтетического газа открылся в 1984 году и является заводом Great Plains Synfuel в Беуле , Северная Дакота. Он все еще работает и производит сжиженный природный газ мощностью 1500 МВт с использованием угля в качестве источника углерода. За годы, прошедшие с момента открытия, были открыты и другие коммерческие предприятия, использующие другие источники углерода, такие как древесная щепа.
Во Франции AFUL Chantrerie, расположенная в Нанте, запустила в ноябре 2017 года демонстратор MINERVE. Эта установка метанирования 14 нм3 / день была проведена Top Industrie при поддержке Leaf. Эта установка используется для подпитки станции КПГ и закачки метана в котел, работающий на природном газе.
В энергетической системе с преобладанием возобновляемых источников энергии было замечено использование избыточной электроэнергии, вырабатываемой ветром, солнечными фотоэлектрическими, гидроэнергетическими, морскими потоками и т. Д., Для производства водорода посредством электролиза воды и последующего применения реакции Сабатье для получения метана в В отличие от прямого использования водорода для транспорта или хранения энергии, метан может закачиваться в существующую газовую сеть, емкость которой во многих странах составляет от одного до двух лет. Затем метан можно использовать по запросу для выработки электроэнергии (и тепла — комбинированного производства тепла и электроэнергии), преодолевая низкие точки производства возобновляемой энергии. Процесс представляет собой электролиз воды электричеством для создания водорода (который частично может использоваться непосредственно в топливных элементах) и добавление углекислого газа CO 2 (процесс Сабатье) для создания метана. CO 2 может быть извлечен из воздуха или отработанных газов ископаемого топлива с помощью аминового процесса , среди многих других. Это система с низким содержанием CO 2 , эффективность которой аналогична сегодняшней энергетической системе.
Завод по производству электроэнергии на газе мощностью 6 МВт был запущен в производство в Германии в 2013 году, и его автопарк насчитывал 1500 автомобилей Audi A3.
Синтез аммиака
При производстве аммиака CO и CO 2 считаются ядами для наиболее часто используемых катализаторов. Катализаторы метанирования добавляют после нескольких стадий получения водорода, чтобы предотвратить накопление оксида углерода в контуре синтеза аммиака, поскольку метан не оказывает аналогичного неблагоприятного воздействия на скорость синтеза аммиака.
Система жизнеобеспечения Международной космической станции
Генераторы кислорода на борту Международной космической станции производят кислород из воды с помощью электролиза ; произведенный водород ранее был сброшен в космос. Когда космонавты потребляют кислород, образуется углекислый газ, который затем необходимо удалить из воздуха и выбросить. Этот подход требовал, чтобы на космическую станцию регулярно доставлялось обильное количество воды для выработки кислорода в дополнение к тому, которое используется для потребления человеком, гигиены и других целей — роскошь, которая не будет доступна для будущих длительных миссий за пределами низкой околоземной орбиты. .
НАСА использует реакцию Сабатье для извлечения воды из выдыхаемого углекислого газа и водорода, ранее выброшенного при электролизе на Международной космической станции и, возможно, для будущих миссий. Другое химическое вещество, метан, выбрасывается в космос. Поскольку половина входящего водорода тратится в виде метана, с Земли доставляется дополнительный водород, чтобы компенсировать разницу. Однако это создает почти замкнутый цикл между водой, кислородом и углекислым газом, для поддержания которого требуется лишь относительно небольшое количество импортируемого водорода.
Если не учитывать другие результаты дыхания, этот цикл выглядит так:
[<\text[<\ text <электролиз>>] O2 <> + 2H2 -> [<\ text <дыхание>>] CO2 <> + 2H2 <> + <\ overset
Контур можно было бы дополнительно замкнуть, если бы отработанный метан был разделен на составные части путем пиролиза , высокая эффективность которого (до 95% конверсии) может быть достигнута при 1200 ° C:
[<\text[<\ text
Высвободившийся водород затем рециркулирует обратно в реактор Сабатье, оставляя легко удаляемый осадок пиролитического графита . Реактор был бы немногим больше, чем стальная труба, и его мог бы периодически обслуживать космонавт, когда месторождение вырубается.
В качестве альтернативы, цикл может быть частично закрыт (75% H 2 из CH 4 извлечено) неполным пиролизом отработанного метана, при этом углерод остается заблокированным в газообразной форме в виде ацетилена :
[<\text[<\ text
С этой целью НАСА также исследует реакцию Босха :
C + 2H2O>>>»> CO 2 + 2 ЧАС 2 ⟶ C + 2 ЧАС 2 О <\ displaystyle <\ ce C + 2H2O>>>»>
Реакция Боша представит полностью замкнутый водородно-кислородный цикл, который производит только атомарный углерод в качестве отходов. Однако трудности с поддержанием температуры до 600 ° C и правильным обращением с углеродными отложениями означают, что потребуется значительно больше исследований, прежде чем реактор Bosch станет реальностью. Одна из проблем состоит в том, что образование элементарного углерода имеет тенденцию загрязнять поверхность катализатора (закоксовывание), что отрицательно сказывается на эффективности реакции.
Производство топлива на Марсе
Реакция Сабатье была предложена в качестве ключевого шага в снижении стоимости полета человека на Марс ( Mars Direct , SpaceX Starship ) за счет использования ресурсов на месте . Водород объединяется с CO 2 из атмосферы, а затем метан хранится в качестве топлива, а водный побочный продукт подвергается электролизу, давая кислород для сжижения и хранения в качестве окислителя, а водород возвращается обратно в реактор. Исходный водород можно было транспортировать с Земли или отделять от марсианских источников воды.
Импорт водорода
Импорт небольшого количества водорода позволяет избежать поиска воды и просто использует CO 2 из атмосферы.
«Вариант основной реакции метанирования Сабатье может быть использован через слой смешанного катализатора и обратную конверсию водяного газа в одном реакторе для производства метана из сырья, доступного на Марсе, с использованием диоксида углерода в марсианской атмосфере. Испытание прототипа 2011 года Операция по извлечению CO 2 из смоделированной марсианской атмосферы и его реакции с H 2 , производила метановое ракетное топливо со скоростью 1 кг / день, работала автономно в течение 5 дней подряд, поддерживая почти 100% коэффициент конверсии. Оптимизированная система этого проект массой 50 кг »рассчитан на производство 1 кг / сутки пропеллента O 2 : CH 4 . с чистотой метана 98 +% при потреблении
17 кВт / ч электроэнергии в сутки (при непрерывной мощности 700 Вт) . Общий коэффициент конверсии единиц, ожидаемый от оптимизированной системы, составляет одну тонну топлива на 17 МВт-ч потребляемой энергии ».
Проблема стехиометрии при импорте водорода
Стехиометрическое отношение окислител и топливо составляет 2: 1, для кислорода: метан двигателя:
CO2 + 2H2O>>>»> CH 4 + 2 О 2 ⟶ CO 2 + 2 ЧАС 2 О <\ displaystyle <\ ce CO2 + 2H2O>>>»>
Однако один проход через реактор Сабатье дает соотношение только 1: 1. Больше кислорода может быть произведено путем протекания реакции конверсии водяного газа (WGSR) в обратном направлении (RWGS), эффективно извлекая кислород из атмосферы за счет восстановления диоксида углерода до монооксида углерода .
Другой вариант — произвести больше метана, чем необходимо, и пиролизировать его избыток в углерод и водород (см. Раздел выше), где водород возвращается обратно в реактор для получения дополнительных метана и воды. В автоматизированной системе углеродные отложения могут быть удалены путем продувки горячим марсианским CO 2 , окисляя углерод до монооксида углерода (через реакцию Будуара ), который удаляется.
Четвертым решением проблемы стехиометрии было бы объединение реакции Сабатье с реакцией обратного сдвига водяного газа (RWGS) в одном реакторе следующим образом:
CH4 + 2CO + 4H2O>>>»> 3 CO 2 + 6 ЧАС 2 ⟶ CH 4 + 2 CO + 4 ЧАС 2 О <\ displaystyle <\ ce <3CO2 + 6H2 ->CH4 + 2CO + 4H2O>>> CH4 + 2CO + 4H2O>>>»>
Эта реакция является слегка экзотермической, и когда вода подвергается электролизу, отношение кислорода к метану составляет 2: 1.
Независимо от того, какой метод кислородной фиксации используется, общий процесс можно описать следующим уравнением:
CH4 + 2O2 + 2CO>>>»> 2 ЧАС 2 + 3 CO 2 ⟶ CH 4 + 2 О 2 + 2 CO <\ Displaystyle <\ ce <2H2 + 3CO2 ->CH4 + 2O2 + 2CO>>> CH4 + 2O2 + 2CO>>>»>
Глядя на молекулярные массы, мы получили 16 граммов метана и 64 грамма кислорода, используя 4 грамма водорода (который нужно было бы импортировать с Земли, если только марсианская вода не была подвергнута электролизу) для увеличения массы 20: 1; а метан и кислород находятся в правильном стехиометрическом соотношении для сжигания в ракетном двигателе. Такой вид использования ресурсов на месте приведет к значительной экономии веса и стоимости любых предлагаемых пилотируемых миссий на Марс или миссий по возврату образцов.
Источник