Konstantinos P. Giapis con il suo reattore che converte l'anidride carbonica in ossigeno molecolare. Credito:California Institute of Technology
Le storie di fantascienza sono piene zeppe di schemi di terraformazione e generatori di ossigeno per un'ottima ragione:noi umani abbiamo bisogno di ossigeno molecolare (O 2 ) respirare, e lo spazio ne è essenzialmente privo. Anche su altri pianeti con atmosfere dense, oh 2 è difficile da trovare.
Così, quando esploriamo lo spazio, dobbiamo portare la nostra scorta di ossigeno. Non è l'ideale perché è necessaria molta energia per issare le cose nello spazio in cima a un razzo, e una volta esaurita la scorta, è andato.
Un posto in cui l'ossigeno molecolare appare al di fuori della Terra è nei fili di gas che fuoriescono dalle comete. La fonte di quell'ossigeno è rimasta un mistero fino a due anni fa, quando Konstantinos P. Giapis, un professore di ingegneria chimica al Caltech, e il suo collega post-dottorato Yunxi Yao, proposto l'esistenza di un nuovo processo chimico che potrebbe spiegare la sua produzione. Giapis, insieme a Tom Miller, professore di chimica, hanno ora dimostrato una nuova reazione per la generazione di ossigeno che, secondo Giapis, potrebbe aiutare gli esseri umani a esplorare l'universo e forse anche a combattere il cambiamento climatico a casa. Più fondamentalmente però, dice che la reazione rappresenta un nuovo tipo di chimica scoperta studiando le comete.
La maggior parte delle reazioni chimiche richiede energia, che in genere viene fornito come calore. La ricerca di Giapis mostra che alcune reazioni insolite possono verificarsi fornendo energia cinetica. Quando le molecole d'acqua vengono sparate come minuscoli proiettili su superfici contenenti ossigeno, come sabbia o ruggine, la molecola d'acqua può strappare quell'ossigeno per produrre ossigeno molecolare. Questa reazione si verifica sulle comete quando le molecole d'acqua evaporano dalla superficie e vengono quindi accelerate dal vento solare fino a quando non si schiantano contro la cometa ad alta velocità.
comete, però, emettono anche anidride carbonica (CO 2 ). Giapis e Yao volevano testare se CO 2 potrebbe anche produrre ossigeno molecolare nelle collisioni con la superficie della cometa. Quando hanno trovato O 2 nel flusso di gas che esce dalla cometa, volevano confermare che la reazione era simile alla reazione dell'acqua. Hanno progettato un esperimento per far crollare la CO 2 sulla superficie inerte della lamina d'oro, che non può essere ossidato e non dovrebbe produrre ossigeno molecolare. Ciò nonostante, O2 ha continuato ad essere emesso dalla superficie dell'oro. Ciò significava che entrambi gli atomi di ossigeno provengono dalla stessa CO 2 molecola, dividendolo efficacemente in modo straordinario.
"All'epoca pensavamo che sarebbe stato impossibile combinare i due atomi di ossigeno di una CO 2 molecola insieme perché CO 2 è una molecola lineare, e dovresti piegare severamente la molecola perché funzioni, " dice Giapis. "Stai facendo qualcosa di veramente drastico alla molecola."
Per comprendere il meccanismo di come la CO 2 si decompone in ossigeno molecolare, Giapis si avvicinò a Miller e al suo collega postdottorato Philip Shushkov, che ha progettato simulazioni al computer dell'intero processo. Comprendere la reazione ha rappresentato una sfida significativa a causa della possibile formazione di molecole eccitate. Queste molecole hanno così tanta energia che i loro atomi costituenti vibrano e ruotano intorno a un livello enorme. Tutto quel movimento rende più difficile simulare la reazione in un computer perché gli atomi all'interno delle molecole si muovono in modi complessi.
Nel reattore di Giapis, l'anidride carbonica viene convertita in ossigeno molecolare. Credito:Caltech
"Generalmente, le molecole eccitate possono portare a una chimica insolita, quindi abbiamo iniziato con quello, " dice Miller. "Ma, con nostra sorpresa, lo stato eccitato non ha creato ossigeno molecolare. Anziché, la molecola si decompone in altri prodotti. In definitiva, abbiamo scoperto che un CO . gravemente piegato 2 può formarsi anche senza eccitare la molecola, e questo potrebbe produrre O 2 ."
L'apparato Giapis progettato per eseguire la reazione funziona come un acceleratore di particelle, girando la CO 2 molecole in ioni dando loro una carica e poi accelerandoli usando un campo elettrico, anche se a energie molto più basse di quelle che si trovano in un acceleratore di particelle. Però, aggiunge che un dispositivo del genere non è necessario perché avvenga la reazione.
"Potresti lanciare un sasso con una velocità sufficiente a un po' di CO 2 e ottenere la stessa cosa, ", dice. "Dovrebbe viaggiare alla stessa velocità di una cometa o di un asteroide nello spazio".
Ciò potrebbe spiegare la presenza di piccole quantità di ossigeno che sono state osservate in alto nell'atmosfera marziana. Si è ipotizzato che l'ossigeno venga generato dalla luce ultravioletta del sole che colpisce la CO 2 , ma Giapis crede che l'ossigeno sia generato anche da particelle di polvere ad alta velocità che collidono con la CO 2 molecole.
Spera che una variazione del suo reattore possa essere utilizzata per fare la stessa cosa su scale più utili, forse un giorno fungendo da fonte di aria respirabile per gli astronauti su Marte o utilizzata per combattere il cambiamento climatico tirando CO 2 , un gas serra, dall'atmosfera terrestre e trasformandolo in ossigeno. lui riconosce, però, che entrambe queste applicazioni sono molto lontane perché l'attuale versione del reattore ha un basso rendimento, creando solo una o due molecole di ossigeno per ogni 100 CO 2 molecole sparate attraverso l'acceleratore.
"È un dispositivo finale? No. È un dispositivo che può risolvere il problema con Marte? No. Ma è un dispositivo che può fare qualcosa di molto difficile, " dice. "Stiamo facendo delle cose folli con questo reattore."
Il documento che descrive i risultati del team, intitolato "Evoluzione diretta dell'ossigeno nelle collisioni dell'anidride carbonica con le superfici, " appare nel numero del 24 maggio di Comunicazioni sulla natura .
