毅力号首次造出火星氧气,可供呼吸10分钟,对人类移居有何意义

2021-04-24 09:31:23 科学声音

最近航天方面的新闻真是多,一件接一件。火星上那个毅力号携带的小直升机刚刚完成首飞,飞起来3米多高,算是人类的一大突破,终于有人造飞行器在外星球上御风飞行了。

与此同时,毅力号火星车自己也没闲着。紧接着毅力号就爆出一个大新闻。肚子里自带的电化学装置成功地把二氧化碳转化成了氧气。一共生产了5克氧气,数量上刚够一个人呼吸10分钟。但这是一个不折不扣的创举。

氧气对我们人类的重要性不言而喻。可是宇航员上太空,氧气都是从地球上带过去的。而且对于火箭发动机来讲,氧气是燃料的一部分。不管是液氧煤油发动机还是氢氧发动机,都是要用到液氧的。如果是绕着地球一圈一圈打转转,随时可以派货运补给飞船给空间站补充物资。俄罗斯的宇航员波利亚科夫曾经创下了在太空连续居住437天18小时的记录。一年多不下来,也是有的。

可是,我们人类如果要去火星,那可就没办法随时派补给飞船了。这一来一回要好几年,所有东西都要自己带着。每隔26个月才有一次发射窗口期。趁这个窗口期去火星,起码好几个月才能到火星。在火星上要熬到下一个窗口期,才有机会回地球。这一来一回,时间太长了。要是氧气全靠地面运过去,实在是太麻烦。

要知道,为了多运一点东西,燃料要多带不少,火箭也要做大一点。完了,火箭一大,重量变大,燃料又不够了,需要再多带……总之,这是个连锁反应,载荷重了一点,火箭要放大好多。越大的火箭越贵,这是根本承受不起的。

当然,也可以用在轨加油的办法解决问题,但是这也还不够。所以,在火星表面制取燃料就成了非常重要的能力。能就地取材,总是好过千里迢迢的带过去嘛。

这一次,毅力号上带了一个电化学实验装置叫MOXIE(莫克西),就是为了测试一下能不能从二氧化碳之中提取氧气。火星大气之中96%是二氧化碳,尽管大气很稀薄,但是数量管够。

这个提取氧气的装置体积不大,24cm×24cm×30cm,大概有半个微波炉那么大,重量是17.7公斤。这个装置要把二氧化碳吸进来,然后加热到800摄氏度,然后通过热解离和电催化相结合,让二氧化碳分子分解成氧离子和一氧化碳分子。氧离子带负电,我们不是常说“负氧离子”嘛,负氧离子会往高压电的正电极跑,这不就把氧给分离出来了嘛。最后两个氧离子搭伴变成一个氧分子,这就是氧气。莫克西每个小时最多产10克氧气。

二氧化碳被分解以后还会产生一些一氧化碳,这东西俗称煤气,煤气中毒就是这东西搞的,千万不能让这东西混进去。火星大气之中还有一些其他乱七八糟的气体,反正这些都不重要,一股脑排出去就万事大吉了,目前看来,能制取氧气就是一大进步。

这一次分解二氧化碳制造氧气并不需要水的参与,但是,产生氧气只是第一步,未来要制取燃料,制取甲烷。要制取甲烷就必须要水的参与,否则氢原子从哪里来呢?对吧。

氢气和氧气来源于电解水,火星上是有水的,二氧化碳来自于火星大气层。你要想制造甲烷,过程并不复杂。早在1897年,法国化学家萨巴蒂尔和森德伦斯就发现,在高温高压下,利用含镍和铝的金属氧化物作为催化剂,可以用氢气和二氧化碳产生反应,来生成甲烷和水。这就是著名的萨巴蒂尔反应,萨巴蒂尔后来还因此而获得了1912年的诺贝尔化学奖。

你知道为啥马斯克的猛禽发动机采用了液氧甲烷作为燃料,而不是液氧煤油嘛,就是因为在火星上是有可能就地取材生产甲烷的,但是没办法生产煤油这种复杂的碳氢化合物。这家伙满脑子惦记的都去火星,一切都是为了去火星做准备的。不过,在他去火星之前,麻烦先把特斯拉的刹车问题解决了再走。

扯远了,扯回来。

其实萨巴蒂尔反应在航天领域早有运用,您慢慢听我说。

最近,海南文昌发布了一系列的禁令,从4月23号到30日,禁止一切单位、组织和个人进行各类体育、娱乐、广告性飞行活动,禁止使用系留气球等悬挂装置,禁止燃放孔明灯。其实这些政策当地人都已经习以为常,但凡有这样的公告,说明文昌发射场要发射火箭了。

没错,长征5B遥2火箭经过垂直转运,已经矗立在发射架上,4月29号上午,要用这枚火箭来发射我国天宫空间站的核心舱。大家记得到时候看电视转播哦。

天宫空间站将保持长期有人居住,比过去的天宫1号和2号有人居住的时间都要长。所以资源的循环利用也就更加重要。据了解,天宫空间站就配备了一套萨巴蒂尔反应装置。

过去,空间站的氧气一般来自于电解水,氢气就用不着了,直接排放掉,人呼吸氧气产生二氧化碳。二氧化碳过去也是没有用的,要用氢氧化钾或者是氢氧化锂吸收掉,但是这么干显然太浪费了。

现在,把人呼出来的二氧化碳收集起来,和电解水多出来的氢混在一起,利用萨巴蒂尔反应,变成水和甲烷,水可以循环使用。甲烷可以排放掉,不过1个甲烷分子带了4个氢原子,排出去的话,氢元素还是白白损失了。最好是想办法把甲烷分解成乙烯+氢气,氢气也还可以再利用,1个乙烯分子只含有2个氢原子,排放掉的话,损失比直接排放甲烷要小。

当然,美国人曾经动过脑筋,是不是用二氧化碳+氢气直接制造水和固体的碳元素,这个过程叫“博世反应”。但是固体碳颗粒对催化剂不利,目前还没办法解决。暂时就不考虑这个办法了。

国际空间站也是2010年才加装上萨巴蒂尔反应装置的。我们的空间站是全新的,而且规模也不小,从长远考虑,肯定是一步到位,直接上萨巴蒂尔反应装置比较合算。大家别急,过几天,天和号核心舱就要发射了。

今年可是好戏连台,马上要打核心舱段,过一阵子再打神州载人飞船,要打天舟补给飞船,空间站的建设忙得很呢。

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