Sciencefictionverhalen zitten boordevol terravormingsschema's en zuurstofgeneratoren om een ​​zeer goede reden:wij mensen hebben moleculaire zuurstof nodig (O ₂ ) ademen, en de ruimte is er in wezen verstoken van. Zelfs op andere planeten met een dikke atmosfeer, O ₂ is moeilijk aan te komen.

Dus, als we de ruimte verkennen, we moeten onze eigen zuurstofvoorraad meenemen. Dat is niet ideaal, want er is veel energie nodig om dingen boven op een raket de ruimte in te hijsen, en zodra de voorraad op is, het is weg.

Een plaats waar moleculaire zuurstof buiten de aarde verschijnt, is in de slierten gas die van kometen stromen. De bron van die zuurstof bleef een mysterie tot twee jaar geleden, toen Konstantinos P. Giapis, een professor in chemische technologie aan Caltech, en zijn postdoctorale collega Yunxi Yao, stelde het bestaan ​​van een nieuw chemisch proces voor dat de productie ervan zou kunnen verklaren. Giapis, samen met Tom Miller, hoogleraar scheikunde, hebben nu een nieuwe reactie aangetoond voor het genereren van zuurstof waarvan Giapis zegt dat het mensen kan helpen het universum te verkennen en misschien zelfs de klimaatverandering thuis te bestrijden. Maar fundamenteler, hij zegt dat de reactie een nieuw soort chemie vertegenwoordigt die is ontdekt door kometen te bestuderen.

De meeste chemische reacties vereisen energie, die typisch wordt geleverd als warmte. Uit het onderzoek van Giapis blijkt dat er enkele ongewone reacties kunnen optreden door kinetische energie te leveren. Wanneer watermoleculen als uiterst kleine kogels worden afgeschoten op oppervlakken die zuurstof bevatten, zoals zand of roest, het watermolecuul kan die zuurstof aftrekken om moleculaire zuurstof te produceren. Deze reactie vindt plaats op kometen wanneer watermoleculen van het oppervlak verdampen en vervolgens worden versneld door de zonnewind totdat ze met hoge snelheid terug in de komeet botsen.

kometen, echter, stoten ook kooldioxide uit (CO ₂ ). Giapis en Yao wilden testen of CO ₂ zou ook moleculaire zuurstof kunnen produceren bij botsingen met het komeetoppervlak. Toen ze O . vonden ₂ in de stroom gassen die van de komeet komt, ze wilden bevestigen dat de reactie vergelijkbaar was met de reactie van water. Ze ontwierpen een experiment om CO . te laten crashen ₂ op het inerte oppervlak van bladgoud, die niet kunnen worden geoxideerd en geen moleculaire zuurstof mogen produceren. Niettemin, O2 bleef uit het gouden oppervlak worden uitgestoten. Dit betekende dat beide zuurstofatomen uit dezelfde CO ₂ molecuul, effectief splitsen op een buitengewone manier.

"Destijds dachten we dat het onmogelijk zou zijn om de twee zuurstofatomen van een CO . te combineren ₂ molecuul samen omdat CO ₂ is een lineair molecuul, en je zou het molecuul zwaar moeten buigen om het te laten werken, "zegt Giapis. "Je doet iets heel drastisch met het molecuul."

Om het mechanisme te begrijpen van hoe CO ₂ breekt af tot moleculaire zuurstof, Giapis benaderde Miller en zijn postdoctorale collega Philip Shushkov, die computersimulaties van het hele proces ontwierp. Het begrijpen van de reactie vormde een grote uitdaging vanwege de mogelijke vorming van geëxciteerde moleculen. Deze moleculen hebben zoveel energie dat hun samenstellende atomen enorm trillen en ronddraaien. Al die beweging maakt het simuleren van de reactie in een computer moeilijker omdat de atomen in de moleculen op complexe manieren bewegen.

"In het algemeen, geëxciteerde moleculen kunnen leiden tot ongebruikelijke chemie, dus daar zijn we mee begonnen, " zegt Miller. "Maar, tot onze verbazing, de aangeslagen toestand creëerde geen moleculaire zuurstof. In plaats daarvan, het molecuul ontleedt in andere producten. uiteindelijk, vonden we dat een sterk gebogen CO ₂ kan zich ook vormen zonder het molecuul te prikkelen, en dat kan O . opleveren ₂ ."

Het apparaat dat Giapis heeft ontworpen om de reactie uit te voeren, werkt als een deeltjesversneller, de CO . draaien ₂ moleculen in ionen door ze een lading te geven en ze vervolgens te versnellen met behulp van een elektrisch veld, zij het bij veel lagere energieën dan in een deeltjesversneller. Echter, hij voegt eraan toe dat zo'n apparaat niet nodig is om de reactie te laten plaatsvinden.

"Je zou een steen met voldoende snelheid op een CO . kunnen gooien ₂ en hetzelfde bereiken, "zegt hij. "Het zou ongeveer net zo snel moeten reizen als een komeet of asteroïde door de ruimte reist."

Dat zou de aanwezigheid van kleine hoeveelheden zuurstof kunnen verklaren die hoog in de atmosfeer van Mars zijn waargenomen. Er is gespeculeerd dat de zuurstof wordt gegenereerd door ultraviolet licht van de zon dat op CO . valt ₂ , maar Giapis gelooft dat de zuurstof ook wordt gegenereerd door hogesnelheidsstofdeeltjes die in botsing komen met CO ₂ moleculen.

Hij hoopt dat een variant van zijn reactor kan worden gebruikt om hetzelfde te doen op meer bruikbare schaal - misschien ooit als een bron van ademende lucht voor astronauten op Mars of om te worden gebruikt om klimaatverandering tegen te gaan door CO ₂ , een broeikasgas, uit de atmosfeer van de aarde en verandert het in zuurstof. Hij erkent, echter, dat beide toepassingen nog ver weg zijn omdat de huidige versie van de reactor een laag rendement heeft, het creëren van slechts één tot twee zuurstofmoleculen voor elke 100 CO ₂ moleculen schoten door de versneller.

"Is het een laatste apparaat? Nee. Is het een apparaat dat het probleem met Mars kan oplossen? Nee. Maar het is een apparaat dat iets heel moeilijks kan doen, "zegt hij. "We doen gekke dingen met deze reactor."

De paper waarin de bevindingen van het team worden beschreven, getiteld "Directe dizuurstofevolutie bij botsingen van koolstofdioxide met oppervlakken, " verschijnt in het nummer van 24 mei van Natuurcommunicatie .