ماذا نتذكر بعبارة "الخيال العلمي"؟ بالطبع ، الروبوتات والسيارات الطائرة ، دراسة زوايا الكون غير المستكشفة سابقًا والأجانب وسلسلة كاملة من المؤامرات. من بينها ، احتل مكانًا خاصًا دائمًا موضوع تسوية كوكب آخر ، إما من الثقة في حتمية وفاة الفرد ، أو من الرغبة في تغيير الوضع جذريًا. كان المنافس الأول للحصول على لقب Earth 2.0 دائمًا المريخ والبرد ومهمومًا. في الوقت الحالي ، ليس من الممكن حتى الآن تعبئة أمتعتك وتطير إلى المريخ في إجازة لمدة أسبوعين ، ولكن هذا أمر واقعي وممكن تمامًا ، والسؤال هو فقط كم هو قريب. أكثر ناقص للمريخ (باستثناء عدم وجود الإنترنت العادي) هو عدم وجود جو مقبول للحياة. للسفر إلى الوجهة ، والخروج من الطائرة والتنفس بعمق ، والشعور بالانتعاش التام للهواء المحلي - الأمر لا يتعلق بالمريخ. ولكن هذا لن يكون دائما.
اليوم سنلتقي بكم دراسة تصف طريقة جديدة لتوليد الأكسجين من خلال تفاعل كيميائي غير عادي. كيف قام العلماء بإنتاج الأكسجين الجزيئي من ثاني أكسيد الكربون ، وما مدى فعالية هذه الطريقة ، وأين يمكن استخدامها بخلاف السفر بين الكواكب؟ سنبحث عن إجابات لهذه الأسئلة في تقرير العلماء. دعنا نذهب.
أساس الدراسة
يحتاج الشخص إلى ثلاثة أشياء فقط للحياة: الطعام والماء والهواء ، حيث سيكون هناك كمية كافية من الأكسجين. هذه هي احتياجاتنا الأساسية (نعم ، الإنترنت ليس في هذه القائمة). لكن الأكسجين لا يقع على الطريق ، خاصة خارج كوكبنا الحبيب. لذلك ، إذا أردنا الذهاب إلى مكان ما ، فعلينا أن نأخذه معنا واستخدام أجهزة مختلفة لتنظيف الهواء وإعادة استخدامه. كل هذا الفرح يأخذ الكثير من الأماكن ، وسيتم استنفاد الأكسجين عاجلاً أم آجلاً. وتجديد احتياطيات في الفضاء أو على سطح المريخ سيكون ، بعبارة ملطفة ، إشكالية.
ومع ذلك ، في الآونة الأخيرة نسبيا ، اكتشف العلماء كمية كبيرة إلى حد ما من الأكسجين في المذنب 67P / CG6 ، مما دفعهم إلى طرح سؤال واضح للغاية - من أين جاء؟ الأكسجين في أجسام مثل المذنبات هو نتيجة رد فعل غير حيوي يحدث في الظروف القاسية ، وخلاله من H2 O ، CO
2 ، CO ، إلخ. يتم إطلاق O
2 (الأكسجين). يدعي العلماء أن هذه التفاعلات يمكن أن تفسر وجود الأكسجين في المذنبات ، والغلاف الجوي العلوي للمريخ وفي الغلاف الجوي المبكر للأرض. يمكن لأي شخص استخدام مثل هذا التفاعل الكيميائي لإنتاج O
2 من ثاني أكسيد الكربون ، مما يجعل المريخ مناسبًا للحياة.
إذا كان مبالغا فيه للغاية وجيزة ، فإن رد الفعل المذكور أعلاه هو تحلل ثاني أكسيد الكربون إلى مكونات: C + O
2 . وبعبارة أخرى ، التفكك.
يمكن أن يحدث تفكك ثاني أكسيد الكربون في عدة سيناريوهات اعتمادًا على الطاقة المتاحة للتفاعل. يتطلب التفكك الجزئي لـ CO
2 → CO + O (5.43 أو 7.56 eV) الطاقة الأقل. يوجد أيضًا تفكك تام لـ CO
2 → C + O + O ، يتطلب 16.46 فولت. والأكثر فضولاً ، الغرابة في التفكك هو عندما يتحلل ثاني أكسيد الكربون إلى C و O
2 . تُظهر الحسابات أن تفاعلًا مشابهًا ينطلق على سطح الطاقة المحتملة للحالة الأرضية ، ويشكل أولاً مركب CO2 الوسيط الدوري [c-CO
2 (
1 A
1 )] ، والذي يتحول بعد ذلك إلى COO الوسيطة CIN (
1 Σ
+ ) في C + O
2 .
يكون مثل هذا التفاعل ممكنًا إذا كان الجزيء "مثنيًا" بحيث تصبح ذرتان O قريبة من بعضها البعض. هذا يتطلب 6 فولت من الطاقة الداخلية. ويجب أن تعترف ، مهما كان الرجل القوي ينحني قضبانًا معدنية ، فسيكون من الصعب للغاية تحنيط جزيء.
يمكن أن تساعد التحولات في حالات الإثارة الأنيونية والأنيونية لثاني أكسيد الكربون في ثني الجزيء. يتذكر العلماء أن التجارب الحديثة التي أجراها زملاؤهم أظهرت أن استخدام التحسس الضوئي VUV (الأشعة فوق البنفسجية المفرغة) ومرفق الإلكترون يسمح بتفكك CO
2 إلى C (
3 P) + O
2 (X
3 Σ
g -). ومع ذلك ، لم يسبق لأحد أن درس هذه العملية الغريبة على مستوى مفصل بما فيه الكفاية. وكل ذلك نتيجة لمثل هذه التجارب لم يتم العثور على منتجات O
2 المؤينة. ولكن ، كما نعلم ، لا يعني العثور على شيء ما أنه ليس على الإطلاق.
لذلك ، في الدراسة التي نقوم بفحصها اليوم ، طبق العلماء طرق تشتت شعاع الأيونات مع النمذجة الرياضية لإظهار طريقة جديدة لتفعيل الاختزال المباشر لثاني أكسيد الكربون إلى O2 مع اكتشاف منتجات O
2 المؤينة. تحتوي هذه العملية على مسار تفاعل جزيئي غير معروف سابقًا يحدث أثناء الاصطدامات النشطة للأيونات وسطح ثاني أكسيد الكربون. والأكثر إثارة للدهشة هو عدم اعتماد هذا التفاعل على طبيعة ودرجة حرارة السطح.
نتائج البحوث
بادئ ذي بدء ، يُظهِر العلماء تشكيل O2 في تصادمات CO
2 + / Au شديدة الحرارة من خلال التخطيط لتوزيع الطاقة الحركية لثلاثة منتجات أيون جزيئية متناثرة (CO
2 + ، O
2 + O
2 - ) لمختلف طاقات CO
2 + (E
0 ) . عند E
0 <80 eV ، تم الكشف عن إشارة ضعيفة للغاية من CO
2 + مبعثرة (
1a ، رسم بياني على اليسار).
الصورة رقم 1تتناسب طاقة الذروة لثاني أكسيد الكربون الصادر مع E
0 ، أي أن هناك ارتدادًا باليستيًا أو نابضًا من السطح ، وهو ما يستثني التمايل المادي. يعتقد العلماء أن مراقبة إشارة "ثاني أكسيد الكربون" الديناميكية أمر بالغ الأهمية لأنه دليل على أن بعض ثاني أكسيد الكربون ينجو من تصادم سطحي. بالإضافة إلى ذلك ، من الممكن تحديد تسلسل تصادمات الذرات المكونة. بالإضافة إلى ثاني أكسيد الكربون
+ ، لوحظت أيضًا إشارات من أيونات O
2 المتناثرة (
1b ،
1c / graph في الوسط وعلى اليمين). في هذه الحالة ، تمثل طاقات O2
+ و O
2 المنبعثة
- جزءًا كبيرًا من طاقة الجسيمات العارضة (57٪) وتزيد بشكل متوازٍ بالتوازي مع E
0 في نطاق أوسع من CO
2 + المتناثرة. وقد لوحظت أقصى إشارة للأيونات O
2 عند E
0 ~ 100 eV.
يصف الباحثون اكتشاف منتجات الأيونات O
2 بالدهشة ، لأنه لا يمكن لتفتيت السطح O
2 ولا تجريد ذرة O أن تفسر تكوين هذه الأيونات. وكل ذلك لأن هاتين الآليتين تنتجان O2 في طاقات إنتاج أقل بكثير مما لوحظ. من المنطقي افتراض أن تفكك ثاني أكسيد الكربون ذاته متورط هنا.
يتوافق كل من التفكك الجزئي والكامل لثاني أكسيد الكربون مع المنتجات الأيونية المكتشفة الأخرى (CO
+ و CO
- و O
+ و O
- و C
+ ). وتتغير طاقة CO
+ ، CO
- و O الصادرة
- بالتوازي مع طاقة الجسيمات العارضة ، والتي تتسق مع التكوين الديناميكي في تصادم السطح.
لكن القمم O
+ و C
+ تظهر اعتمادًا صغيرًا للغاية على E
0 ، مما يدل على أصل مختلف ، أي الرش. تأكيد تفكك كامل هي منتجات C
+ مبعثرة ، والتي تظهر في E
0 > 80 eV.
بعد ذلك ، استخدم العلماء الحركية في وصف آلية الانتثار.
تسمح لنا النظرية الثنائية للاصطدامات (BPS) بحساب العامل الحركي ، الذي يُعرَّف بأنه جزء من طاقة الجسيمات العارضة ، التي يحملها المنتج المبعثر الخارج من السطح. في أبسط نموذج ، تنتشر ثاني أكسيد الكربون
+ كجزيء كامل ، أي ككرة صلبة مع كتلة ذرية 44 دا. في هذه الحالة ، تتوقع BPS معامل حركي قدره 0.6349 ، والذي يرتبط ارتباطًا ضعيفًا بالبيانات (
2a ).
الصورة رقم 2بعد ذلك ، طبق العلماء نموذجًا تصطدم فيه ذرة O أولاً مع ذرة Au السطحية ، ثم يحدث التصادم الثاني لجزء CO دون تفكك سريع لجزيء CO
2 . يعطي تطبيق BPS على هذا النموذج من التصادمات المتتالية معاملًا حركيًا قدره 0.7870 ، والذي يتوافق بشكل ممتاز مع بيانات الطاقة الخاصة بـ CO
2 + الصادرة (الخط الأسود عند
2 أ ). يوضح الرسم البياني
2 أ أيضًا طاقات المنتجات الأيونية الأخرى المنتشرة الصادرة.
يمكن أن يطلق على المصدر المحتمل الرئيسي لمثل هذه المنتجات التفكك الجزئي أو الكامل لثاني أكسيد الكربون والرش السطحي لشظايا ثاني أكسيد الكربون الممتصة. على الرغم من حقيقة أن بعض التفاخر قد لوحظ بالفعل بقيم عالية من E
0 (> 140 فولت) ، فإن التحليل الحركي للبيانات المتعلقة بالطاقة من الجسيمات الصادرة يوفر أدلة مقنعة على وجود التفكك النبضي الدقيق لجزيء ثاني أكسيد الكربون.
بعد ذلك ، أجرى العلماء تحليلًا لسرعة الجسيمات المتناثرة المرصودة.
يوضح الشكل
2 ب مقارنة قمم توزيع الأيونات عند E
0 = 56.4 فولت. كما نرى ، فإن معدلات خروج CO
+ المتناثرة ، O
2 + ، O
2 - والجزء الأبطأ من توزيع O
- تتداخل ، مما يشير إلى الأصل المشترك. ومع ذلك ، فإن توزيع O أكبر بشكل ملحوظ ، ويمتد إلى سرعات أعلى للإخراج ، مما قد يشير إلى أصل بديل. تخرج منتجات أيون O2 بمعدلات أقل من CO
2 + بسبب عدم المرونة بسبب تمزق الروابط الكيميائية وتأين السطح غير الرنان.
يقول العلماء إن التحليل الحركي المذكور أعلاه قد قدم أدلة قاطعة على أن بعض جزيئات ثاني أكسيد الكربون تنتشر سليمة بعد تصادم متسلسل من خطوتين لشظايا O و CO. ومع ذلك ، لا تزال هناك أسئلة بخصوص الجوانب المختلفة لآلية تشكيل O
2 .
بعد التجارب ، لا يزال هناك عدد من الأسئلة. أولاً ، لا يزال من غير الواضح ما إذا كان O2
يتم إنتاجه من خلال آلية adiabatic الإلكترونية أو غير adiabatic. ثانياً ، مسارات التصادم التي تكمن وراء توزيع السرعة عند خروج الأجزاء الأيونية غير معروفة. ثالثًا ، من غير المعروف مقدار
تشكيل O
2 المحايد.
في هذه الحالة ، يمكن للنمذجة توضيح الموقف ، أي طريقة الديناميات الجزيئية الكلاسيكية (طريقة MD).
لمحاكاة مسار الانتثار لـ CO
2 على Au (111) ، تم تطبيق هندسة الانتثار الملاحظة في التجربة. من المفترض أن يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون على سطح الطاقة المحتملة لإلكترون القميص في حالة تحييد أيونات ثاني أكسيد الكربون الواردة قبل التصادم الصعب.
يحدث التحييد السريع من خلال نفق الرنين للإلكترونات من سطح المعدن إلى الكاتيون الجزيئي ، لأن المستوى الجزيئي لثاني أكسيد الكربون (-13.8 فولت) يقع داخل منطقة الاتحاد الأوروبي المحتلة (من -5.3 إلى -15.3 فولت). في المحاكاة ، أخذت عمليات نقل الإلكترون من / إلى السطح في الاعتبار أيضًا لمراعاة تأين منتجات التصادم المحايدة.
تُظهر الصورة
2c قيم الطاقة المحسوبة للجزيئات الصادرة.
وقد وجد أن عددًا صغيرًا من ثاني أكسيد الكربون يحافظ على تكامله عند E
0 > 80 eV ، وهو ما يتمشى مع عدم وجود إشارة في هذه الطاقات أثناء التجارب العملية. تتوافق البيانات التي تم الحصول عليها من خلال النمذجة بشكل ممتاز مع البيانات التجريبية ، والتي يسهل رؤيتها من خلال مقارنة الرسوم البيانية
2 أ (التجربة) و
2 ج (المحاكاة).
بالإضافة إلى هذا الاتفاق بين التجارب والنمذجة ، فإنه يتجلى أيضًا في مقارنة معدل أيونات الخرج عند E
0 = 56.4 eV (
2d ). يُظهر النموذج والتجربة توسّعًا في توزيع سرعات CO
+ و O. كما تم التأكيد على أن توزيعات O
2 + و O
2 - تشبه الكاتيون الذي يترك ببطء أكثر من الأنيون. بالإضافة إلى ذلك ، في كلتا الحالتين ، وجد أن CO
2 + يظهر بمعدل أعلى من منتجات O
2 المؤينة.
لذلك ، يمكن أن يوفر استخدام تقنية النمذجة هذه بيانات دقيقة إلى حد ما فيما يتعلق بآلية تفاعل التحويل المباشر لثاني أكسيد الكربون إلى O2.
خلال المرحلة الرئيسية من المحاكاة ، تم إعادة إنشاء 20 ألف مسار تصادم CO
2 -on-Au في طاقات مختلفة من الجسيمات المنتهية ولايته. نتيجة لذلك ، تم الحصول على العديد من متغيرات منتجات التفكك ، بما في ذلك O
2 (
3a ).
الصورة رقم 3يوضح الشكل
3 ب مسار تمثيلي ينتج عنه تكوين O
2 . نتيجة لنقل الطاقة النبضية أثناء الاصطدام ، يحدث إعادة ترتيب كبيرة داخل الجزيئات داخل نطاط ثاني أكسيد الكربون. تتناقص مسافة O - O ، وتزداد مسافة C - O ، لتصل إلى الذروة عندما يحصل ثاني أكسيد الكربون على تكوين مثلثي بأطوال رابطة متساوية تقريبًا. يحتوي منتج CO
2 الوسيط القوي الانحناء هذا على كمية كبيرة من الطاقة الداخلية وينفصل بسرعة ، مما يؤدي إلى تكوين ذرة C حرة وجزيء O2 حار الذبذبات.
عملية فصل ثاني أكسيد الكربون إلى ذرة C حرة وجزيء O 2 حار الذبذبات.تجدر الإشارة إلى أن آلية الفصل الموصوفة أعلاه تتسق تمامًا مع استنتاجات النموذج الحركي المستخدم سابقًا.
أظهرت الحسابات أن حوالي 5٪ من جميع المسارات تؤدي إلى حالة وسيطة شديدة الانحدار من ثاني أكسيد الكربون ، والتي تعد واحدة من مراحل استخراج O2. هذه الحالة مجزأة بشكل رئيسي من خلال التفكك الجزئي (51 ٪) ، وبعد ذلك يتبع التفكك التام مرة أخرى ، ولكن مع نتيجة أعلى (33 ٪).
الصورة رقم 4يلاحظ العلماء أنه من بين جميع جزيئات ثاني أكسيد الكربون المنحنية ، ينتج 13 في المائة فقط من الأكسجين. أي أن النتيجة الإجمالية لتفكك CO
2 → C + O
2 هي 0.6٪ عند E
0 = 56.4 eV. إذا قمت بزيادة طاقة الجسيمات العارضة ، فيمكنك الحصول على O
2 حتى 0.8 ± 0.2٪ عند E
0 ~ 70 ± 15 eV (الخط الأزرق في الصورة رقم 4).
بالإضافة إلى ذلك ، يزداد جزء مسارات تشكيل O
2 بشكل ملحوظ عند الوصول إلى حالة وسيطة شديدة الانحدار من ثاني أكسيد الكربون (الخط الأخضر) ، حيث تصل إلى 13٪ بحد أقصى عند E
0 ~ 55 ± 10 eV. يعزى انخفاض إجمالي العائد لـ O
2 المحايد إلى حقيقة أن نسبة ضئيلة فقط من جزيئات ثاني أكسيد الكربون الخطية تصل إلى حالة ثني قوية (خط أحمر). إذا قمت على وجه التحديد بتغيير اتجاه جزيئات ثاني أكسيد الكربون الواردة (المحور الموازي للسطح) ، فنتيجة لذلك ، يمكنك الحصول على نسبة أكبر من O2 بنسبة 2٪ (الخط الأخضر المتقطع).
للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في
تقرير العلماء .
خاتمة
لقد أظهر هذا العمل أنه من خلال التفاعلات الكيميائية غير القياسية ، يمكن الحصول على الأكسجين من ثاني أكسيد الكربون. لن يجادل أحد بأن مثل هذه التقنية تتطلب المزيد من التحسينات والتحسينات. ومع ذلك ، فإن حقيقة أن هذا العمل يفتح بالفعل إمكانيات جديدة للسفر بين الكواكب ، واستعمار المريخ ، وليس فقط لا يمكن إنكاره. هناك أيضًا مشكلة في الأكسجين وثاني أكسيد الكربون على كوكبنا. بدلا من ذلك ، مع هذا الأخير ، لحجمها زاد بشكل كبير منذ التصنيع. وبالنظر إلى أن ثاني أكسيد الكربون هو أحد المذنبين الرئيسيين للاحترار العالمي ، فإن تقليل كمياته والحصول على الأكسجين منه يبدو فكرة مغرية للغاية. نظرًا لأننا ما زلنا لا نستطيع الاستغناء عن المصانع والمصانع والسيارات ذات محركات الاحتراق الداخلي وأشياء أخرى ، فإن الطرق الجديدة لتنظيف أجواءنا ليست ضرورية فحسب ، ولكنها ضرورية للغاية. من المؤكد أن السفر إلى الكواكب البعيدة أمر رائع ، لكن قبل الانتقال الهائل إلى المريخ ، لا يزال بعيدًا للغاية ، لذلك يجدر التفكير في الأرض التي نعيش عليها أكثر من المريخ ، الذي نحلم به.
شكرا لك على اهتمامك ، ابقَ فضوليًا ولديك أسبوع عمل جيدًا يا شباب! :)
شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ،
خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).
ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا
2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن
كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟