To nie tylko nauka o rakietach – ukryta chemia wspiera wystrzelenie księżyca i podtrzymuje życie w kosmosie

Wielu na całym świecie będzie chętnie oglądać w sobotę Gdy NASA wprowadza Artemis IJest to pierwsza misja agencji zajmująca się badaniem Księżyca od lat 70. XX wieku.

Scena obejmuje najpotężniejszy pocisk na świecie: pocisk System startu w kosmos (SLS). SLS ma około 100 metrów wysokości, waży ponad 2600 ton i wytwarza 8,8 miliona funtów ciągu – (Ponad 31 razy większa siła ciągu Boeinga 747).

Ale nauka o rakietach i eksploracja kosmosu to nie tylko niesamowita inżynieria. Wewnątrz kryje się sprytna chemia, która napędza te niezwykłe wyczyny i chroni nasze delikatne życie w kosmosie.

Czytaj więcej:
NASA rozpoczyna pierwszy etap misji Artemis – dlatego ludzie wracają na Księżyc

paliwo i iskra

Aby wystrzelić rakietę w kosmos, potrzebujemy reakcji chemicznej znanej jako spalanie. W tym miejscu paliwo łączy się z tlenem, w wyniku czego powstaje energia. Z kolei ta energia zapewnia ciąg (lub ciąg) potrzebny do napędzania mamutów, takich jak SLS, w górną warstwę atmosfery Ziemi i poza nią.

Podobnie jak samochody na drogach i samoloty na niebie, rakiety mają silniki, w których zachodzi spalanie. SLS ma dwa układy silnika: cztery podstawowe stopnie RS-25 .silniki (ulepszenie silników wahadłowca kosmicznego) i dwa Solidne dopalacze rakietowe. To właśnie chemia zapewnia unikalną mieszankę paliwową dla każdego silnika.

Silniki pierwszego stopnia wykorzystują mieszankę ciekłego tlenu i ciekłego wodoru, podczas gdy silniki rakietowe na paliwo stałe, jak sama nazwa wskazuje, zawierają stały ster strumieniowy – stałą, podobną do gumy substancję zwaną polibutadienoakrylonitrylem. Oprócz tego, że sam w sobie jest paliwem, materiał ten zawiera drobne cząstki metalicznego aluminium jako paliwo, a nadchloran amonu jako źródło tlenu.

Podczas gdy stałe paliwo wspomagające rakiety można łatwo przechowywać w temperaturze pokojowej, paliwo do silników pierwszego stopnia powinno być przechowywane w temperaturze -253°C w przypadku ciekłego wodoru i -183°C w przypadku ciekłego tlenu. To dlatego podczas startu widać warstwy lodu przecinające rakiety – zbiorniki z paliwem są wyjątkowo zimne, zamrażając wilgoć z otaczającego powietrza.

Ale jest jeszcze jedna interesująca chemia, która pojawia się, gdy musimy zapalić paliwo. W zależności od źródła paliwa, rakiety mogą być odpalane elektrycznie za pomocą kultowej świecy zapłonowej… lub chemicznie.

Jeśli kiedykolwiek oglądałeś start w kosmos i słyszałeś rozmowę o „zapłonku TEA-TEB”, odnosi się to do Trietyloglin i trietyloboran. Te dwie substancje chemiczne są łatwopalne, co oznacza, że ​​mogą samoistnie zapalić się pod wpływem powietrza.

Podtrzymywanie życia wśród gwiazd

To nie tylko rakiety napędzane chemią. Systemy podtrzymywania życia w kosmosie zależą od procesów chemicznych, które utrzymują astronautów przy życiu i oddychaniu – coś, co na Ziemi często przyjmujemy za pewnik.

Wszyscy wiemy, jak ważny jest tlen, ale podczas oddychania wydychamy również dwutlenek węgla jako toksyczny produkt odpadowy. Co więc dzieje się z dwutlenkiem węgla w zamkniętym środowisku kapsuły kosmicznej, takiej jak podczas misji Apollo Moon lub Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS)?

Pamiętaj, że Tom Hanks próbuje się dostosować Kwadratowy kołek w okrągłym otworze W filmie Apollo 13? Były to płuczki z dwutlenkiem węgla, których NASA używała do usuwania tego trującego gazu z wnętrza kapsuł kosmicznych.

Te płuczki są filtrami zużywalnymi wypełnionymi wodorotlenek litu (Podobny do substancji chemicznej, którą można znaleźć w płynie do czyszczenia odpływów), który wychwytuje dwutlenek węgla w prostym procesie chemia kwasowo-zasadowa. Chociaż te skrubery są bardzo wydajne w usuwaniu dwutlenku węgla i umożliwiają astronautom łatwe oddychanie, filtry mają ograniczoną pojemność. Po nasyceniu nie są już skuteczne.

Dlatego w przypadku długich misji kosmicznych stosowanie filtrów z wodorotlenkiem litu nie jest możliwe. Później naukowcy opracowali system, który wykorzystywał płuczkę wielokrotnego użytku z dwutlenkiem węgla wykonaną z minerału zwanego zeolitem. W przypadku zeolitu wychwycony dwutlenek węgla może zostać uwolniony w przestrzeń kosmiczną, a następnie filtry mogą wychwycić więcej gazu.

Jednak w 2010 roku naukowcy znaleźli lepszy sposób na zarządzanie dwutlenkiem węgla, przekształcając ten produkt odpadowy w inny istotny składnik życia: wodę.

Od odpadów do zasobów

System kontroli środowiska i podtrzymywania życia na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej zastępuje płuczki CO2 System redukcji CO2, znany również jako system Sabatier. Jego nazwa pochodzi od centralnej reakcji chemicznej jej funkcji, która z kolei nosi imię jej odkrywcy, 1912 Nagroda Nobla w dziedzinie chemii Zwycięzca Paul Sabatier.

Ten system łączy dwutlenek węgla i wodór, tworząc wodę i metan. Metan jest wypuszczany w kosmos, a w procesie zwanym hydrolizą woda jest rozkładana na tlen do oddychania i wodór. Ten ostatni jest następnie poddawany recyklingowi w celu przekształcenia większej ilości dwutlenku węgla w wodę.

Ten proces jest przydatny nie tylko do eksploracji kosmosu. Bliżej domu chemicy Znajdź podobne systemy Aby potencjalnie rozwiązać problem emisji gazów cieplarnianych — choć nie jest to panaceum, reakcja Sabatiera może pomóc nam w recyklingu części dwutlenku węgla na Ziemi.

Tymczasem NASA Cele misji Artemis Moon Wylądować na Księżycu pierwszą kobietę i osobę kolorową oraz ustanowić długoterminową obecność człowieka w bazie księżycowej. Interakcja Sabatiera i inne mniej niż celebrowane procesy chemiczne będą kluczem do nieustających wysiłków ludzkości w kosmosie.

Czytaj więcej:
Misja Artemis I wyznacza początek nowego wyścigu kosmicznego w celu wydobycia księżyca