Hapniku tootmine Marsil: madalatemperatuuriline plasma

Madalatempeatuuriline plasma ehk mittetasakaaluline plasma on ioniseeritud gaas, kus ainult osa gaasist on ioniseeritud. Selles leidub erinevaid osakesi – elektrone, positiivseid ioone, neutraalseid osakesi ja footoneid – mis kõik on väga erinevate omaduste ja energiatega.

Meid huvitavad elektroni, sest need on kerged ja neid on elektriväljaga lihtne kiirendada. On võimalik luua optimaalsed tingimused selleks, et elektronid käivitaksid madalatemperatuurilises plasmas keemia, mille lõpptulemuseks on $C O$ ja $O$ .

Põhimõtteliselt saaks seda teha nii, et kõrge energiaga elektronid põrkuvad $C O_{2}$ molekulidega ja lõhuvad selles keemilised sidemed. Aga vaid väiksel osal elektronidest on energia $C O_{2}$ molekulide lõhkumiseks tarvilik $7 e V$ või rohkem. Ja on üks mikromaailma eripärasid, et energiat on võimalik neelata või kiirata vaid kindlate portsjonite, kvantide kaupa. Nii et üldiselt kaks madala energiaga osakest üksteise järel ei tee ära sama tööd, mis üks osake kahekordse energiaga.

Kui ainult ...

Molekulid laulavad

Joonis 1: Süsinikdioksiidi molekulid võnguvad.

$C O_{2}$ molekulis saavad sidemed süsiniku ja hapniku aatomite vahel pikeneda ja painduda, nii et molekul hakkab võnkuma (vaata joonis 1). Marsi tingimustes loodud plasma võib lihtsalt toota elektrone, mille energia muundub elektronide ja süsikdioksiidi molekulide vahelisel põrkel $90 %$ ulatuses $C O_{2}$ molekulide võnkumise energiaks. Selle mõistmisks pange tähele süsinikioksiidi nende nn võnkeolekute iseloomulikke energiaid, need on üle kümne korra väiksemad kui keemilise sideme purustamiseks vajalik energia.

Joonis 2: Süsinikdioksiidi võnkeolekute energiatasemed (üleval) ja seade mis pasmas toodab hapniku ja süsinimonooksiidi.

Esmapilgul võib see tunduda tagasilöögina, kuna elektronide energiat ei kasutata $C O_{2}$ molekulide lagundamiseks. Aga tegelikult on see väga hea. Sest asümmeetriliselt võnkuvate molekulide vahelist energia ülekannet nende põrgetel on võimalik korraldada ni, et mõned neist molekulidest järjepidevalt suurendavad oma võnkumise amplituudi. See ei ole päris seesama nähtus, kui kristallklaasi purustamine laulmisega, aga selline lihtsustatud võrdluspilt on esmase ettekujutuse loomiseks piisavalt hea: tugevalt võnkuvaid molekule on lihtsam purustada!

Füüsikud tunnevad seda nähtust kui võnkumine-võnkumine ülemineku (V-V) ülespumpamise mehhanismi [1]. Suurema võnkeenergiaga molekulide võnkumine saab põrgetes väiksema võnkeenergiaga molekulidelt veelgi energiat juurde. Nii võivad molekulid lõpuks puruneda.

Nähtust rakendava seadus koos süsinikdioksiidi võnkeolekute energiatasemete skeemiga on joonisel 2.

Mars: ideaalne keskkond plasma tekkimiseks

Siin kirjeldatud idee süsinikdioksiidi molekulide keemiliste sidemete purustamiseks on arendatud välja Maa probleeme silmas pidades (ülevaate leiate artiklist [2]). Kuidas saaks seda Marsil rakendada? Selgub, et Marss on sellise tehnoloogia arendamiseks ideaalne koht [3]. Isegi nii, et võib arvama hakata, et Marss on sellise tehnoloogia rakendamiseks disainitud.

Esiteks, Marsi atmosfäär koosneb peamiselt süsinikdioksiidist, nii et ei ole mingit tarvidust seda koguma hakata. Teiseks Marsi atmosfääri rõhk on selline, et selles võib vaevata plasma tekitada. Väike kogus argooni ja lämmastikku tuleb isegi abiks: argoon aitab suurendada elektronide energiaid, muutes sellega protsessi efektiivsemaks [4], lämmastik parandab energia võnkeolekutesse konverteerimise efektiivsust [5].

Rõhk Marsil on $600 P a$ ( $4, 5 T o r r$ ), umbes $150$ korda väiksem kui Maal. See on lähedal plasma tekkimiseks tarvilikule ideaalsele rõhule, nii et puudub vajadus vaakumpumpade järele.

Lõpuks Marsi atmosfääri madal temperatuur, mis muutub vahemikus TeX parse error: Extra close brace or missing open brace kuni TeX parse error: Extra close brace or missing open brace, ja olles keskmiselt TeX parse error: Extra close brace or missing open brace, aeglustab $C O$ ja $O$ taasühinemist $C O_{2}$ -ks, andes nii rohkem aega gaaside üksteisest lahutamiseks.

Joonis 3: Katseseade, kus $600 P a$ rõhuga gaasikambris on loodud süsinikdioksiidi plasma (valge piirkond). Voolutugevus plasmas on $50 m A$ .

Living on Mars:How to produce oxygen and fuel to get home

Sending a manned mission to Mars is one of the next major steps in space exploration.Creating a breathable environment, however, is a substantial challenge. A sustainableoxygen supply on the red planet can be achieved by converting carbon dioxide directly fromthe Martian atmosphere. A new solution to do so is on the way: plasma technology. Vasco Guerra, Tiago Silva and Olivier GuaitellaDOI: https://doi.org/10.1051/epn/2018302

View

[1] P. A. Sá, V. Guerra, J. Loureiro and N. Sadeghi, J. Phys. D: Appl. Phys. 37, 221 (2004)

[2] A. Goede and R. van de Sanden, EPN 47/3, 22 (2016)

[3] V. Guerra, T. Silva, P. Ogloblina, M. Grofulović, L. Terraz, M. Lino da Silva, C. D. Pintassilgo, L. L. Alves and O. Guaitella, Plasma Sources Sci. Technol. 26, 11LT01 (2017) 11LT01

[4] A. Janeco, N. R. Pinhão and V. Guerra, J. Phys. Chem. C 119, 109 (2015)

[5] C. K. N. Patel, Phys. Rev. A 136, 1187 (1964)