|
Фотокаталитическая конверсия CO2 за пределами Земли
|
|
|
|
Проблема изменения климата, связанная с выбросами CO2, привела к повышенному вниманию к изучению и разработке искусственного фотосинтеза посредством фотокаталитической конверсии CO2 для восстановления нарушенного углеродного цикла в природе. Фотокаталитическая конверсия CO2 позволяет одновременно снизить концентрацию CO2 в атмосфере и производить ценное углеводородное топливо. После недавнего открытия обильных запасов CO2 и воды на внеземных объектах было предложено, что фотокаталитическая конверсия CO2 также может быть реализована на внеземных объектах для создания искусственного углеродного цикла для обеспечения топливом и жизнеобеспечением космических миссий. В этом комментарии представлены наши взгляды на развитие фотокаталитической конверсии CO2 за пределами Земли с акцентом на ее общие принципы и потенциальные проблемы, которые могут возникнуть на внеземных объектах. Наконец, представлен краткий обзор будущих направлений исследований в этой области.
|
|
|
|
Исследование космоса предполагает открытие космического пространства с помощью пилотируемых или беспилотных миссий с целью расширения научных знаний и потенциала обитания человека за пределами Земли. В настоящее время космические миссии в первую очередь полагаются на транспортировку основных потребностей с Земли, что чрезвычайно сложно и логистически невозможно, когда мы стремимся развивать станции или среды обитания на внеземных объектах, таких как Луна и Марс [1, 2]. Например, астронавтам для поддержания жизни требуется почти килограмм кислорода в день. Поэтому тонны кислорода необходимо транспортировать каждый год для строительства станций на внеземных объектах, что повышает стоимость и риск миссии [3, 4]. В этом контексте было предложено использовать ресурсы на месте (ISRU), целью которого является рациональное использование внеземных ресурсов, чтобы уменьшить бремя транспортировки земных ресурсов и способствовать устойчивому развитию внеземных объектов. Таким образом, ISRU считается важнейшим технологическим достижением в области освоения человеком космоса.
|
|
|
На современном этапе развития ISRU широкое внимание привлекли углеродные ресурсы. Как правило, углерод является наиболее важным элементом для организмов на Земле, поскольку он не только служит основным компонентом всей известной жизни, но и энергетической средой (например, природный газ и нефть) для питания Земли. Эта роль углерода на Земле достигается за счет углеродного цикла, который обеспечивает перенос атомов углерода из атмосферы (присутствующих в газообразных соединениях углерода, таких как CO2 и CH4) на Землю (присутствующих в форме сахара, крахмала и т. д.). и, наконец, обратно в атмосферу, завершая таким образом цикл. Солнечная энергия служит источником энергии для этих биогеохимических циклов, в которых растения и другие организмы поглощают солнечную энергию для ассимиляции CO2 и H2O и производства соединений на основе углерода и кислорода посредством фотосинтеза [5]. Учитывая обильное солнечное излучение и наличие обильных запасов CO2 и H2O [6, 7] на намеченных в настоящее время внеземных объектах (например, на Луне и Марсе), такая стратегия фотосинтеза может быть принята для создания искусственных систем углеродного цикла на внеземных объектах. для обеспечения достаточного количества топлива и жизнеобеспечения для космических полетов. В отличие от других потенциальных стратегий, таких как расщепление воды, которые ограничиваются производством газообразного топлива, этот метод потенциально может генерировать газообразные, жидкие и твердые продукты, тем самым расширяя сферу его применения.
|
|
|
|
На этом фоне искусственный фотосинтез посредством фотокаталитической конверсии CO2 имеет большие перспективы для достижения устойчивого цикла [8, 9, 10]. Эта стратегия способна имитировать роль фотосинтеза зеленых растений и, как ожидается, восстановит углеродный цикл на Земле, который в настоящее время нарушен из-за избыточных выбросов CO2. Эта стратегия искусственного фотосинтеза, если она будет успешно реализована на внеземных объектах в рамках ISRU (рис. 1(а)) [11], также может позволить построить искусственный углеродный цикл на таких объектах (рис. 1(б)) . К настоящему времени фотокаталитической конверсией CO2 успешно получены различные продукты, в том числе CO, CH4, CH3OH и HCHO [12]. Однако эффективность фотокаталитической конверсии CO2 остается неудовлетворительной для практического применения. Таким образом, разработка фотокаталитической конверсии CO2 с превосходной эффективностью фотоконверсии и селективностью по продукту весьма желательна для применения не только на Земле, но и на внеземных объектах. В этом комментарии представлены краткие и четкие рекомендации по развитию фотокаталитической конверсии CO2 и ее применения за пределами Земли. Во-первых, изложены фундаментальные принципы фотокаталитической конверсии CO2. Затем дается краткое изложение проблем, возникших при фотокатализе во время его реализации на внеземных объектах. Наконец, представлены перспективы развития этой области.
|
|
|
|
Источник
|
