Molti in tutto il mondo guarderanno con impazienza questo sabato il lancio della NASA Artemis I, la prima missione di esplorazione lunare dell'agenzia dagli anni '70.

Lo spettacolo coinvolge il razzo più potente del mondo:lo Space Launch System (SLS). Con un'altezza di quasi 100 metri e un peso di oltre 2.600 tonnellate, l'SLS produce un'enorme spinta di 8,8 milioni di libbre (più di 31 volte la spinta di un Boeing 747).

Ma non c'è solo la straordinaria ingegneria dietro la scienza missilistica e l'esplorazione spaziale. Nascosta all'interno, c'è un'intelligente chimica che alimenta queste fantastiche imprese e sostiene la nostra fragile vita nello spazio.

Il carburante e la scintilla

Per lanciare un razzo nello spazio, abbiamo bisogno di una reazione chimica nota come combustione. È qui che i combustibili vengono combinati con l'ossigeno, producendo di conseguenza energia. A sua volta, quell'energia fornisce la spinta (o spinta) necessaria per spingere macchine gigantesche come l'SLS nell'alta atmosfera terrestre e oltre.

Proprio come le auto sulla strada e i jet nel cielo, i razzi hanno motori dove avviene la combustione. SLS ha due sistemi motore:quattro motori RS-25 a stadio centrale (motori dello space shuttle aggiornati) e due propulsori a razzo solido. E la chimica è ciò che fornisce una miscela di carburante unica per ogni motore.

I motori dello stadio centrale utilizzano una miscela di ossigeno liquido e idrogeno liquido, mentre i propulsori a razzo solido, come suggerisce il nome, contengono un propellente solido, un materiale duro simile alla gomma chiamato polibutadiene acrilonitrile. Oltre ad essere esso stesso combustibile, questo materiale contiene particelle fini di alluminio metallico come combustibile, con perclorato di ammonio come fonte di ossigeno.

Mentre il carburante per i propulsori a razzo solido è facilmente immagazzinabile a temperatura ambiente, i combustibili del motore dello stadio centrale devono essere conservati a -253 ℃ per l'idrogeno liquido e -183 ℃ per l'ossigeno liquido. Ecco perché vedi lastre di ghiaccio che si staccano dai razzi al decollo:le navi del carburante sono così fredde che congelano l'umidità dall'aria circostante.

Ma c'è un'altra chimica interessante che accade quando dobbiamo accendere il carburante. A seconda della fonte di carburante, i razzi possono essere accesi elettricamente attraverso una candela glorificata... o chimicamente.

Se hai mai visto un lancio nello spazio e hai sentito parlare di "accensione TEA-TEB", questo si riferisce al trietilalluminio e al trietilborano. Queste due sostanze chimiche sono piroforiche, il che significa che possono prendere fuoco spontaneamente se esposte all'aria.

Sostenere la vita tra le stelle

Non sono solo i razzi ad essere alimentati dalla chimica. I sistemi di supporto vitale nello spazio si basano su processi chimici che mantengono in vita e respirano i nostri astronauti, qualcosa che sulla Terra spesso diamo per scontato.

Conosciamo tutti l'importanza dell'ossigeno, ma espiriamo anche anidride carbonica come prodotto di scarto tossico quando respiriamo. Allora, cosa succede all'anidride carbonica nell'ambiente sigillato di una capsula spaziale come quelle delle missioni Apollo Moon o della Stazione Spaziale Internazionale (ISS)?

Ricordi Tom Hanks che cercava di inserire un piolo quadrato in un foro rotondo nel film Apollo 13? Quelli erano scrubber ad anidride carbonica che la NASA ha usato per rimuovere questo gas tossico dall'interno delle capsule spaziali.

Questi scrubber sono filtri consumabili pieni di idrossido di litio (simile a una sostanza chimica che puoi trovare nei fluidi per la pulizia degli scarichi) che catturano il gas di anidride carbonica attraverso una semplice chimica acido-base. Sebbene questi scrubber siano altamente efficienti nel rimuovere l'anidride carbonica e consentire agli astronauti di respirare facilmente, i filtri hanno una capacità limitata. Una volta saturati, non sono più efficaci.

Quindi, per missioni spaziali estese, l'utilizzo di filtri all'idrossido di litio non è fattibile. Gli scienziati in seguito hanno sviluppato un sistema che utilizza uno scrubber riutilizzabile di anidride carbonica a base di minerali chiamati zeoliti. Con la zeolite, l'anidride carbonica catturata può essere rilasciata nello spazio e i filtri sono quindi liberi di catturare più gas.

Ma nel 2010 gli scienziati hanno trovato un modo ancora migliore per gestire l'anidride carbonica, trasformando questo prodotto di scarto in un altro componente essenziale per la vita:l'acqua.

Da rifiuti a risorsa

Il sistema di controllo ambientale e di supporto vitale sulla ISS sostituisce gli scrubber ad anidride carbonica con il sistema di riduzione dell'anidride carbonica, noto anche come sistema Sabatier. Prende il nome dalla reazione chimica fondamentale per la sua funzione, che a sua volta prende il nome dal suo scopritore, il premio Nobel per la chimica nel 1912 Paul Sabatier.

Questo sistema combina l'anidride carbonica con l'idrogeno gassoso per formare acqua e metano. Il gas metano viene scaricato nello spazio e, attraverso un processo chiamato idrolisi, l'acqua viene scissa in ossigeno respirabile e idrogeno gassoso. Quest'ultimo viene poi riciclato per trasformare più anidride carbonica in acqua.

Questo processo non è utile solo per l'esplorazione dello spazio. Più vicino a noi, i chimici stanno ricercando sistemi simili per affrontare potenzialmente le emissioni di gas serra:anche se non è una panacea, la reazione Sabatier potrebbe aiutarci a riciclare un po' di anidride carbonica qui sulla Terra.

Nel frattempo, la missione Artemis Moon della NASA mira a far atterrare la prima donna e persona di colore sulla Luna e stabilire una presenza umana a lungo termine in una base lunare. La reazione di Sabatier e altri processi chimici poco celebrati saranno la chiave per i continui sforzi dell'umanità nello spazio. + Esplora ulteriormente

Produrre metano su Marte

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.