Реакция Сабатье

Реакция Сабатье, или Процесс Сабатье, (фр. Sabatier) представляет собой реакцию водорода с оксидом углерода (IV) 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:

[math]\displaystyle{ \mathsf{CO_2 + 4H_2 \rightarrow CH_4 + 2H_2O} }[/math]

∆H = −165.0 кДж/моль

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

[math]\displaystyle{ \mathsf{CH_4 \rightarrow C + 2H_2} }[/math]

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. Воду гидросферы Марса предполагается разделять на кислород и водород путём электролиза с целью использования в качестве ракетного топлива для обратного полёта прибывшей марсианской экспедиции. Однако поскольку для хранения водорода необходимы очень низкие температуры, его предлагается превращать в метан с использованием реакции Сабатье, учитывая большое количество углекислого газа в атмосфере Марса. Одновременно решается проблема обеспечения экспедиции водой и кислородом. Некоторые компоненты реализующей этот процесс автономной системы к 2018 году были испытаны НАСА на Земле. Предполагают, что за 16 месяцев работы на Марсе она сможет произвести примерно 7 тонн метана и 22 тонны кислорода.

Стехиометрическое соотношение кислорода и метана в топливе составляет 3.5:1 (3.5 части кислорода к 1 части метана) по весу, хотя одно прохождение 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) до углерода и водорода, с направлением 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:

[math]\displaystyle{ \mathsf{3CO_2 + 6H_2 \rightarrow CH_4 + 2CO + 4H_2O} }[/math]

Эта реакция слабо экзотермическая и при электролизе воды позволяет достичь соотношения 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.