מדען הנתמך בידי נאס”א לומד כיצד ניתן להשתמש בדו תחמוצת הפחמן – הגז העיקרי באטמוספירה של מאדים – כדי לייצר דלק טילים ומים מכוכב הלכת האדום
כאשר יגיעו בפעם הראשונה אסטרונאוטים למאדים, יהיה קשה להעביר להם אספקה ובה כל הדברים שהם זקוקים להם כדי לשרוד. גם המסע הראשון עשוי להמשך עד שנתיים – ואולם חלליות יכולות לשאת רק כמות מוגבלת של אספקה. “אנחנו עשויים לעשות מה שעשו מגלים במשך דורות: לחיות ממה שהאדמה מציעה לנו.”, אמר המהנדס הכימי קן דבלאק Debelak מאוניברסיטת ואנדרבילט.
חוקרים על כדור הארץ מסתמכים בדרך כלל על מה שהם מוצאים בשטח. בעלי החיים אולי יהיו מוזרים אך הם יהיו שם וניתן יהיה לאכלם. ואולם האתגר הוא אותו אתגר. אסטרונאוטים ירצו למשוך מה שהם יוכלו מכוכב הלכת עצמו. אף כי המטרה נראית בלתי סבירה דבלאק מאמין כי הוא ניתן להשגה. הוא עובד על פרויקט של נאס”א שיאפשר לה להתממש. המפתח, לדבריו, טמון באטמוספירה של מאדים. האטמוספירה של מאדים דלילה מאוד ביחס לזו של כדור האר והיא מכילה 95 אחוז פחמן דו חמצני (CO2). ואולם נראה כי ניתן להפוך את החסרון ליתרון.
הפחמן הדו חמצני, אומר דבלאק, יכול לשמש כחומר גלם למוצרים רבים. באדמה הסלעית של מאדים חבויים מרכיבים שימושיים: מגנזיום ומימן לדלק המטוסים, חמצן לנשימה, מים לשתיה, כל מה שצריך הוא מסיס כדי להוציא אותם החוצה, ואז מסתבר שהפחמן הדו חמצני בא לעזרה. “כאשר הפחמן הדו חמצני נדחס ל-73 אטמוספירות ומחומם ל-31.1 מעלות צלזיוס הוא הופך לנוזל סופר קריטי ולמסיס מצוין.” אמר דבלאק.
נוזל סופר קריטי נמצא בלחץ גבוה ובטמפרטורה גבוהה. זהו מצב צבירה שאולי ניתן לתארו כגז דמוי נוזל. כמעט כל דבר יכול להפוך סופר קריטי. מים למשל הופכים לנוזל סופר קריטי בלחץ גבוה ובטמפרטורות בטורבינות קיטור. מים רגילים הם מסיס מצוין. מים סופר קריטיים הם מסיס על, אולי אפילו טובים מדי. הם ממיסים אפילו את קצות הלהבים של הטורבינות. פחמן דו חמצני במצב סופר קריטי עושה בערך את אותה הפעולה. מולקולות CO2 זורמים לתוך חומר מוצק, מקיפים אטומים, דוחפים אותם ומפרידים ביניהם.
תרשים פאזות: הנקודה הקריטית, המודגשת בנקודה ירוקה גדולה, היא צירוף מיוחד של טמפרטורות (Tc=31 C) ולחץ (Pc=73 atm) כאשר תכונות ה- CO2 הם גם של גז וגם של נוזל. מעל הנקודה הקריטית, החומר הופך לנוזל סופר קריטי.
על כדור הארץ לא משתמשים יותר מדי ב-CO2 במצב סופר קריטי להמסת חומרים משום שיש שיטות זולות יותר ויעילות יותר בהישג יד. משתמשים בו למשל לפירוק קפאין מפולי קפה, ולעיתים גם לניקוי יבש של בגדים. על מאדים, סבור דבלאק, CO2 ישחק תפקיד חשוב הרבה יותר. לדוגמא מגנזיום יוכל להינמס בקלות בעזרת C02סופר קריטי. מצא דבלאק. “זהו ניסוי שאנו די מתרגשים ממנו כרגע.” אמר. מגנזיום, שנמצא קרוב לודאי באדמת המאדים, ניצת בקלות ויכול לשמש כדלק טילים. למעשה, אומר דבלאק, אחד התסריטים לנחיתה על מאדים מציע לבנות נחתת שלמה ממגנזיום, כולל רגלי הנחיתה. “כאשר האסטרונאוטים יהיו מוכנים לשוב הביתה הם יוכלו לטעון את החלקים הללו לתוך המנוע, להוסיף חומרים מחמצנים כדי להדליק את התערובת.
“באמצעות שימוש ב-CO2 כממיס, המגנזיום יכול לשמש כדלק, וניתן יהיה להפיק אותו ממאדים.” CO2 סופר קריטי עשוי גם לשמש לייצור מים. כמה סלעים במאדים, כמו גם כמה סוגי סלעים בכדור הארץ, מכילים מימן. “כאשר סלעים אלו שוקעים בדו תחמוצת פחמן סופר קריטי, מתרחשת ריאקציה כימית. הפחמן שב-CO2 מתקבע בסלע, והוא משאיר את החמצן חופשי למצוא פרטנר אחר- מימן. “התוצאה של התהלי הזה היא מים”, אומר דבלק. “אתה יכול להשתמש בזה כדי ליצור מים. “להוציא מים מהסלע יהיה אחד הדברים המשתלמים ביותר, לפחות בטווח הקצר, אמר דבלאק. בנוסף למי שתיה ניתן יהיה להוציא בחזרה מהמים את המימן לצורך דלק והחמצן שיופרד ישמש לנשימה – או כמחמצן לסוג כלשהו של מנוע. “בסופו של דבר, המתיישבים יוכלו לשתול צמחים המשתמשים בדו תחמוצת הפחמן שבאטמוספירת מאדים כדי ליצור מאות קילוגרמים של חומר גלם ליום. לנוזל סופר קריטי יש כמה יתרונות מעל ממסים אחרים: המסיסות שלו משתנה דרמטית כאשר משנים את הטמפרטורות או הלחץ. אתה יכול לשלוט בתהליך כך שלפעמים זהו ממיס למטרות מסוימות ולפעמים הוא לא. הדבר מאפשר לשחזר את החומרים שהומסו. למשל אם רוצים לשחזר את הקפאין שהוצאתם מפולי הקפה (קפאין המשוחזר מתעשיית הקפה נטול הקפאין משמש למשקאות קלים), אתה פשוט צריך להוריד את הלחץ של ה-CO2 והקפאין נופל החוצה.
נכון לעכשיו, דבלאק מנסה למפות את כל סוגי ההתנהגות של ה-CO2 הסופר קריטי. הוא בודק אילו מינרלים יכולים להינמס בקלות ואלו לא, וכיצד ניתן לשפר את המסיסות. הוספת מרכיבים נוספים ל-CO2 עוזרת לפעמים. אמר. עבודתו של דבלאק יכולה להיות שימושית גם על כדור הארץ. דו תחמוצת הפחמן נמצא באור הזרקורים בגלל התפקיד שלו בהתחממות הגלובלית. ואולם כממיס, הוא מועיל. ממסים רבים הנפוצים בתעשיה הם רעילים. הם גורמים סרטן ואם הם מגיעים למערכת המים, הם נשארים שם לזמן ממושך. לפיכך יש עניין ללמוד כיצד C02 יכול לשמש חלופה ירוקה. דו תחמוצת הפחמן משחקת תפקיד שונה על כדור הארץ ועל מאדים. “זה מה שמסקרן.” מדגיש דבלאק.
“סביבת מאדים היא סביבה זרה לזו שלנו. החוקים שם שונים.” “לפיכך, זה מה שאנחנו עושים – מנסים למצוא מהם החוקים”, אמר. ואז נוכל לקבוע כיצד לשחק במשחק, בשני כוכבי הלכת.”
