Velen over de hele wereld zullen deze zaterdag gretig toekijken terwijl NASA Artemis I lanceert, de eerste maanverkenningsmissie van het bureau sinds de jaren zeventig.

Het spektakel omvat de krachtigste raket ter wereld:het Space Launch System (SLS). Met een hoogte van bijna 100 meter en een gewicht van meer dan 2.600 ton produceert de SLS een enorme stuwkracht van 8,8 miljoen pond (meer dan 31 keer de stuwkracht van een Boeing 747-jet).

Maar het is niet alleen verbazingwekkende techniek die achter raketwetenschap en ruimteverkenning schuilgaat. Binnenin zit een slimme chemie die deze fantastische prestaties mogelijk maakt en ons kwetsbare leven in de ruimte in stand houdt.

De brandstof en de vonk

Om een ​​raket de ruimte in te lanceren, hebben we een chemische reactie nodig die verbranding wordt genoemd. Hier worden brandstoffen gecombineerd met zuurstof, waardoor energie ontstaat. Die energie zorgt op zijn beurt voor de duw (of stuwkracht) die nodig is om mammoetmachines zoals de SLS in de bovenste atmosfeer van de aarde en daarbuiten voort te stuwen.

Net zoals auto's op de weg en vliegtuigen in de lucht, hebben raketten motoren waarin verbranding plaatsvindt. SLS heeft twee motorsystemen:vier kerntrap RS-25-motoren (opgewaardeerde space shuttle-motoren) en twee solide raketboosters. En chemie zorgt voor een uniek brandstofmengsel voor elke motor.

De motoren in de kernfase gebruiken een mengsel van vloeibare zuurstof en vloeibare waterstof, terwijl de vaste raketboosters, zoals de naam al doet vermoeden, een vast drijfgas bevatten - een hard, rubberachtig materiaal dat polybutadieenacrylonitril wordt genoemd. Dit materiaal is niet alleen brandstof zelf, maar bevat ook fijne deeltjes aluminiummetaal als brandstof, met ammoniumperchloraat als zuurstofbron.

Terwijl brandstof voor de vaste raketboosters gemakkelijk bij kamertemperatuur kan worden bewaard, moeten de brandstoffen van de motor in de kernfase worden opgeslagen bij -253 voor vloeibare waterstof en -183 ℃ voor vloeibare zuurstof. Daarom zie je ijsplaten van raketten afschuiven bij het opstijgen - de brandstofvaten zijn zo koud dat ze vocht uit de omringende lucht bevriezen.

Maar er is nog een interessante chemie die plaatsvindt wanneer we de brandstof moeten aansteken. Afhankelijk van de brandstofbron kunnen raketten elektrisch worden ontstoken via een veredelde bougie... of chemisch.

Als je ooit een ruimtelancering hebt gezien en hebt gehoord over "TEA-TEB-ontsteking", dan verwijst dat naar triethylaluminium en triethylboraan. Deze twee chemicaliën zijn pyrofoor, wat betekent dat ze spontaan vlam kunnen vatten bij blootstelling aan lucht.

Het leven tussen de sterren in stand houden

Het zijn niet alleen raketten die worden aangedreven door chemie. Levensondersteunende systemen in de ruimte zijn afhankelijk van chemische processen die onze astronauten in leven houden en ademen - iets wat we op aarde vaak als vanzelfsprekend beschouwen.

We kennen allemaal het belang van zuurstof, maar we ademen ook koolstofdioxide uit als een giftig afvalproduct wanneer we ademen. Dus, wat gebeurt er met koolstofdioxide in de afgesloten omgeving van een ruimtecapsule zoals die in de Apollo Moon-missies of op het International Space Station (ISS)?

Weet je nog dat Tom Hanks een vierkante pin in een rond gat probeerde te passen in de film Apollo 13? Dat waren kooldioxide-scrubbers die NASA gebruikte om dit giftige gas uit het binnenste van ruimtecapsules te verwijderen.

Deze scrubbers zijn vervangbare filters die zijn verpakt met lithiumhydroxide (vergelijkbaar met een chemische stof die je kunt vinden in afvoerreinigingsvloeistof) die koolstofdioxidegas opvangt door middel van eenvoudige zuur-base-chemie. Hoewel deze scrubbers zeer efficiënt zijn in het verwijderen van kooldioxide en astronauten laten ademen, hebben de filters een eindige capaciteit. Eenmaal verzadigd, zijn ze niet langer effectief.

Voor uitgebreide ruimtemissies is het gebruik van lithiumhydroxidefilters dus niet haalbaar. Wetenschappers ontwikkelden later een systeem dat gebruikmaakt van een herbruikbare koolstofdioxide-scrubber gemaakt met mineralen die zeolieten worden genoemd. Met zeoliet kan het opgevangen koolstofdioxide de ruimte in worden gelaten, en de filters zijn dan vrij om meer gas op te vangen.

Maar in 2010 vonden wetenschappers een nog betere manier om koolstofdioxide te beheersen, door van dit afvalproduct een ander essentieel onderdeel van het leven te maken:water.

Van afval tot grondstof

Het Environmental Control and Life Support System op het ISS vervangt kooldioxide-scrubbers door het Carbon Dioxide Reduction System, ook wel bekend als het Sabatier-systeem. Het is genoemd naar de chemische reactie die centraal staat in zijn functie, die op zijn beurt is vernoemd naar de ontdekker, winnaar van de Nobelprijs voor de Scheikunde uit 1912, Paul Sabatier.

Dit systeem combineert koolstofdioxide met waterstofgas om water en methaan te vormen. Het methaangas wordt de ruimte ingeblazen en door een proces dat hydrolyse wordt genoemd, wordt het water gesplitst in ademende zuurstof en waterstofgas. Dit laatste wordt vervolgens gerecycled om meer koolstofdioxide om te zetten in water.

Dit proces is niet alleen nuttig voor verkenning van de ruimte. Dichter bij huis onderzoeken scheikundigen soortgelijke systemen om mogelijk de uitstoot van broeikasgassen aan te pakken - hoewel het geen wondermiddel is, zou de Sabatier-reactie ons kunnen helpen om wat kooldioxide hier op aarde te recyclen.

Ondertussen wil NASA's Artemis Moon-missie de eerste vrouw en persoon van kleur op de maan laten landen en een langdurige menselijke aanwezigheid op een maanbasis vestigen. De Sabatier-reactie en andere weinig gevierde chemische processen zullen de sleutel zijn tot de voortdurende ruimte-inspanningen van de mensheid. + Verder verkennen

Methaan maken op Mars

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.