Реакция Сабатье

Реакция Сабатье, или Процесс Сабатье, (фр. Sabatier) представляет собой реакцию водорода с диоксидом углерода при повышенной температуре и давлении в присутствии никелевого катализатора для производства метана и воды. В качестве более эффективного катализатора может применяться рутений с оксидом алюминия. Процесс описывается следующей реакцией:

CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O

Реакция была открыта французским химиком Полем Сабатье.

Жизнеобеспечение космической станции

В настоящее время генераторы кислорода на борту Международной Космической Станции производят кислород из воды посредством электролиза и сбрасывают образующийся водород в космическое пространство. Во время дыхания кислородом образуется диоксид углерода, который необходимо удалять из воздуха и впоследствии избавляться от него. Этот подход требует регулярных поставок значительного количества воды на космическую станцию для производства кислорода, помимо воды для питья, гигиены и т. д. Такое значительное снабжение водой станет недоступно в будущих долговременных полётах за пределы околоземной орбиты.

НАСА в настоящее время изучает использование реакции Сабатье для восстановления воды из выдыхаемого диоксида углерода для использования на Международной Космической Станции и в будущих полётах. Другое образующееся соединение, метан, вероятно сбрасывалось бы в космическое пространство. Поскольку половина участвующего в реакции водорода сбрасывается в составе молекул метана, для его компенсации потребуется поставка с Земли дополнительного водорода. Однако это даёт почти замкнутый цикл обращения воды, кислорода и диоксида углерода. Для поддержания цикла требуется подача извне весьма умеренного количества водорода.

Если пренебречь прочими продуктами дыхания, то этот цикл имеет вид:

2H₂O → O₂ + 2H₂ → (дыхание) → CO₂ + 2H₂ + 2H₂ (добавляется) → 2H₂O + CH₄ (удаляется)

Цикл мог бы быть полностью замкнутым, если бы образующийся метан подвергался пиролизу, распадаясь на компоненты:

CH₄ + тепло → C + 2H₂

Высвобождаемый водород затем мог бы подаваться обратно в реактор Сабатье. При этом остаётся легко устраняемое отложение пиролитического графита. Реактор мог бы быть немногим сложнее стальной трубки и требовать периодическое соскребание графита.

Также для этой цели рассматривается реакция Боша. Хотя реакция Боша обеспечила бы полностью замкнутый цикл обращения водорода и кислорода, требуя при этом удаления лишь атомарного углерода, необходимо проведение дальнейших исследований, прежде чем реактор Боша станет реальностью, в связи с требованиями более высокой температуры и технологии работы с угольными отложениями. Одна из проблем связана с тем, что атомарный углерод загрязняет поверхность катализатора, снижая эффективность реакции.

Производство топлива на Марсе

Реакция Сабатье была предложена как ключевой шаг в снижении стоимости пилотируемого исследования Марса путём использования местных ресурсов. После вырабатывания метана и воды путём соединения водорода, поставляемого с Земли, и диоксида углерода, взятого в атмосфере Марса, кислород может быть извлечён из воды путём электролиза и использован как компонент ракетного топлива вместе с метаном. Обнаружение в 2008 году замёрзшей воды непосредственно под поверхностью Марса открывает более привлекательную перспективу простого электролиза воды, полученной из ископаемого льда, посредством электричества, вырабатываемого солнечными батареями либо радиоизотопными термоэлектрогенераторами. Тем самым устраняется потребность в поставке расходуемых материалов.

Стехиометрическое соотношение кислорода и метана в топливе составляет 3.5:1 (3.5 части кислорода к 1 части метана) по весу, хотя один проход через реактор Сабатье даёт соотношение лишь 2:1. Дополнительный кислород может вырабатываться в реакции водорода с диоксидом углерода. Другая возможность заключается в пиролизе метана (из реактора Сабатье) на углерод и водород, с направленем водорода обратно в реактор для последующего производства метана и воды. Дополнительный необходимый кислород получается при электролизе воды. В автоматизированной системе углеродные отложения могут удаляться обдуванием горячим марсианским диоксидом углерода, при окислении углерода до монооксида углерода.

Третьим и, возможно, более элегантным решением стехиометрической проблемы, было бы совмещение реакции Сабатье и реакции водорода с диоксидом углерода в едином реакторе следующим образом:

3CO₂ + 6H₂ → CH₄ + 2CO + 4H₂O

Эта реакция слабо экзотермическая и при электролизе воды позволяет достичь соотношение 4:1 между кислородом и метаном, обеспечивая большой резервный запас кислорода. По схеме, когда с Земли доставляется лишь лёгкий водород, а тяжёлые кислород и углерод вырабатываются на месте, обеспечивается выигрыш в массе 18:1. Такое использование местных ресурсов привело бы к значительной экономии веса и стоимости в любых пилотируемых полётах на Марс (или автоматических полётах с доставкой грунта).