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:

${\mathsf {CO_{2}+4H_{2}\rightarrow CH_{4}+2H_{2}O}}$

∆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:

${\mathsf {CH_{4}\rightarrow C+2H_{2}}}$

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. Водород вступает в реакцию с CO₂ из атмосферы, затем полученный в результате реакции метан запасается в качестве топлива, а вода разлагается с помощью электролиза на кислород, сохраняемый как окислитель, и водород. Водород, в количестве половины от исходного, поступает обратно в реактор. Водород для реакции можно везти с Земли или получать из воды, добываемой на Марсе. 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 4:1 (4 части кислорода к 1 части метана) по массе, хотя одно прохождение через реактор Сабатье даёт соотношение лишь 2:1 (потому что синтез кислорода и метана происходит только из углекислого газа и водорода, а не из углекислого газа и воды). На 1 кг водорода синтезируется 4 кг метана и 8 кг кислорода (с учётом того, что половина водорода не участвует в синтезе метана и используется повторно после электролиза полученной в реакции воды). Дополнительный кислород можно получить, проведя реакцию сдвига фаз вода-газ в обратном направлении, восстановливая углекислый газ до монооксида углерода. Другой вариант - половину полученного метана пускать на реакцию пиролиза метана до углерода и водорода, с возвращением этого водорода в реактор. В автоматизированной системе углеродные отложения могут удаляться обдуванием горячим марсианским CO₂, с окислением углерода до монооксида углерода.

Третьим решением стехиометрической проблемы было бы совмещение реакции Сабатье и реакции, обратной реакции сдвига фаз вода-газ, в едином реакторе следующим образом:

${\mathsf {3CO_{2}+6H_{2}\rightarrow CH_{4}+2CO+4H_{2}O}}$

Эта реакция слабо экзотермическая, и при электролизе воды соотношение кислорода и метана по массе составляет 4:1, т.е. как раз такое, которое требуется для кислородно-метанового топлива.

В результате на 1 кг водорода синтезируется 4 кг метана и 16 кг кислорода. Если для реакции везти водород с Земли, не добывая воду на Марсе (и использовать лишь CO₂ атмосферы), достигается прирост массы 20:1, по сравнению с вариантом доставки метана и кислорода с Земли. Таким образом обеспечивается значительная экономия веса и стоимости в любых пилотируемых полётах на Марс или автоматических полётах с доставкой грунта.