This post is also available in: Persian English
اکتشافات فضایی از زمانهای قدیم، همواره نماد بلندپروازیهای بشری و کنجکاویهای بیحد و مرز انسانها بوده است. از پرتاب اولین ماهوارهها تا سفرهای سرنشیندار به ماه و برنامهریزیهای گسترده برای مأموریتهای اعزام انسان به مریخ، تأمین انرژی پایدار و کارآمد برای این مأموریتها همواره یکی از بزرگترین چالشها به شمار میآید. بهویژه در زمینه تأمین انرژی برای پیشرانههای فضایی که برای انجام سفرهای طولانیمدت به اعماق فضا نیازمند سوختهایی با ویژگیهای خاص هستند، ضرورت تأمین انرژی پایدار و بهینه بیش از پیش احساس میشود. در این میان، ظهور فناوریهای نوآورانه که قادر به تبدیل مواد زائد و آلایندهها به منابع ارزشمند هستند، افق جدیدی در صنعت فضایی ایجاد کرده است. یکی از این نوآوریها، استفاده از دیاکسید کربن (CO2) به عنوان ماده اولیه برای تولید سوخت موشک است. این رویکرد نه تنها پاسخی به بحران جهانی تغییرات آب و هوایی و کاهش انتشار گازهای گلخانهای است، بلکه مسیری سبز و پایدار برای تأمین انرژی مورد نیاز پیشرانههایی که انسانها را به اعماق فضا میبرند، میگشاید.
چرا CO2؟
دیاکسید کربن، که در زبان روزمره اغلب به عنوان یک “گاز گلخانهای” و عامل اصلی گرمایش جهانی شناخته میشود، در واقع مولکولی است با ساختار پایدار و کربن مرکزی که آن را به یک “بلوک ساختمانی” ایدهآل برای سنتز مواد شیمیایی پیچیدهتر تبدیل میکند. این ویژگیها، CO2 را به یک گزینه مناسب برای تبدیل به سوختهای مورد نیاز صنعت فضایی تبدیل کرده است. حجم عظیم CO2 موجود در اتمسفر زمین، همراه با انتشار مداوم آن از فعالیتهای صنعتی، این گاز را به منبعی فراوان و در دسترس تبدیل کرده است. به جای دفع این گاز و تحمل پیامدهای زیستمحیطی آن، دانشمندان و مهندسان در حال توسعه روشهایی هستند تا این “مشکل” را به “راهحل” تبدیل کنند. استفاده از CO2 به عنوان سوخت، دو هدف اصلی بشریت را در نظر میگیرد: اول، کاهش غلظت CO2 در جو و تعدیل اثرات تغییرات آب و هوایی؛ و دوم، ایجاد یک منبع انرژی بومی، پایدار و مقرونبهصرفه برای پیشبرد اهداف اکتشافی و تجاری بشر در فضا.
ایده تبدیل CO2 به سوخت برای سفرهای فضایی نه تنها از نظر علمی جذاب است، بلکه از نظر عملیاتی نیز مزایای بیشماری دارد. این روش میتواند هزینههای ارسال سوخت به فضا را کاهش دهد، چرا که دیگر نیازی به حمل مقادیر عظیم سوخت از زمین نیست و از منابع موجود در فضا یا سیارات دیگر برای تولید سوخت استفاده میشود. این امر به نوبه خود، اکتشافات فضایی را برای بشر تسهیل خواهد کرد.
| بیشتر بخوانید: کاربرد کربن دیاکسید (CO2) مایع در صنعت نفت |  |
فرایند جامع تبدیل CO2 به سوخت موشک
تبدیل دیاکسید کربن به سوخت موشک یک فرایند پیچیده است که نیازمند تلفیق علوم شیمی، مهندسی، فیزیک و علوم مواد است. این فرایند را میتوان به مراحل مختلفی تقسیم کرد که هرکدام دارای چالشها و راهحلهای خاص خود هستند. در ادامه به شرح جزئیات این فرایند میپردازیم:
1. جمعآوری و جداسازی CO2:
- منابع زمینی: بخش عمدهای از CO2 مورد نیاز میتواند از منابع متمرکز مانند دودکشهای نیروگاههای تولید برق، کارخانههای سیمان، فولاد و سایر صنایع سنگین جمعآوری شود. برای این منظور، از روشهای جذب شیمیایی مانند استفاده از آمینها و جذب فیزیکی مانند جاذبهای جامد متخلخل استفاده میشود.
- جمعآوری مستقیم از هوا: (DAC) فناوری DAC این امکان را فراهم میآورد که CO2 از غلظتهای پایین آن در هوای آزاد استخراج شود. با اینکه این فناوری هنوز در مراحل توسعه است، پتانسیل عظیمی برای کمک به کاهش غلظت CO2 در جو و تولید سوختهای پایدار برای فضا دارد. این روش به دلیل نیاز به انرژی زیاد و هزینههای بالای اولیه، چالشهایی را در مقیاسپذیری ایجاد میکند، اما پیشرفت فناوریها و کاهش هزینهها، میتواند نقش مهمی در تأمین CO2 مورد نیاز ایفا کند.
2. تولید الکترولیز آب با استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر مانند خورشید و باد، که بدون انتشار کربن تولید میشود.'>هیدروژن سبز:
هیدروژن (H2) جزء حیاتی در سنتز سوختهای هیدروکربنی از CO2 است. برای اطمینان از اینکه این فرایند پایدار و زیستمحیطی باشد، هیدروژن باید از منابع تجدیدپذیر تولید شود. رایجترین روش برای تولید هیدروژن، الکترولیز آب است. در این روش، مولکولهای آب توسط جریان الکتریکی به هیدروژن و اکسیژن تجزیه میشوند. استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی، بادی یا آبی برای تأمین برق مورد نیاز الکترولیز، هیدروژن تولید شده را به هیدروژن “سبز” تبدیل میکند.
3. واکنشهای شیمیایی برای سنتز سوخت:
واکنش متانسازی: در این فرایند، CO2 با H2 در حضور یک کاتالیزور (مانند نیکل یا روتنیم) واکنش داده و متان (CH4) و آب (H2O) تولید میشود. متان تولید شده میتواند بهعنوان سوخت در موتورهای موشک استفاده شود یا بهعنوان ماده اولیه برای سنتز سوختهای پیچیدهتر مانند متانول یا اتیلن به کار رود.
- سنتز فیشر-تروپش: این فرایند که ابتدا برای تولید سوختهای مایع از گاز سنتز (مخلوطی از CO) و H2 توسعه یافته بود، قابلیت انطباق با منابع CO2 را نیز دارد. در اینجا، CO2 ابتدا به مونوکسید کربن (CO) احیا میشود و سپس با هیدروژن ترکیب میشود تا طیف وسیعی از هیدروکربنهای مایع، از جمله بنزین و سوخت جت تولید شود.
- تبدیل الکتروشیمیایی و فتوکاتالیستی: این روشهای نوین از الکتریسیته یا نور خورشید مستقیماً برای فعالسازی مولکولهای CO2 و تبدیل آنها به سوخت استفاده میکنند. این فرایندها علاوه بر کارایی بالا، میتوانند نقش مؤثری در تولید سوختهای پاک و پایدار ایفا کنند.
4. تصفیه، پالایش و ذخیرهسازی سوخت:
پس از تولید سوخت، معمولاً حاوی ناخالصیهایی است که باید از آن حذف شوند تا استانداردهای لازم برای استفاده در موتورهای موشک را برآورده کند. پس از تصفیه، سوخت در مخازن ویژهای ذخیره میشود. برای سوختهای گازی مانند متان، مخازن تحت فشار بالا یا برودتی (در دمای بسیار پایین) لازم است تا بتوان آنها را بهطور ایمن و مؤثر ذخیره کرد.
کاربرد در صنعت فضایی
یکی از هیجانانگیزترین جنبههای این فناوری، پتانسیل آن برای استفاده در محل (In-Situ Resource Utilization – ISRU) در سیارات دیگر است. مریخ، به عنوان مثال، دارای اتمسفری متشکل از حدود ۹۵٪ دیاکسید کربن است. در مأموریتهای آینده به مریخ، میتوان از این گاز به عنوان منبع اصلی سوخت برای بازگشت به زمین یا تأمین انرژی پایگاههای دائمی استفاده کرد. این فناوری میتواند به طور چشمگیری هزینهها و پیچیدگیهای مأموریتهای فضایی را کاهش دهد.
- تولید سوخت برای بازگشت از مریخ: ناسا در حال توسعه فناوریهایی مانند MOXIE است که موفق به تولید اکسیژن از CO2 در جو مریخ شده است. ترکیب این اکسیژن با هیدروژن بهدستآمده از یخ آب مریخ، میتواند سوخت موشک (مانند متان) را در محل تولید کند. این امر بهطور قابل توجهی وابستگی به سوختهای ارسالشده از زمین را کاهش میدهد.
- سوخترسانی در مدار و فراتر از آن: در آینده، ایستگاههای سوخترسانی در مدار زمین یا در پایگاههای قمری میتوانند با استفاده از CO2 جمعآوریشده از فعالیتهای انسانی یا منابع طبیعی، سوخت مورد نیاز فضاپیماها و ماهوارهها را تأمین کنند.
| بیشتر بخوانید: اکسیژن مایع در فناوری فضایی |  |
چالشها و چشمانداز آینده
علیرغم پتانسیل عظیم، توسعه و پیادهسازی این فناوریها با چالشهای متعددی روبرو است:
- کارایی انرژی و مصرف توان: فرایندهای تبدیل CO2، بهویژه الکترولیز و سنتز شیمیایی، نیازمند مصرف انرژی قابل توجهی هستند. اطمینان از اینکه انرژی مورد نیاز از منابع پاک و تجدیدپذیر تأمین شود، برای حفظ پایداری کلی فرایند حیاتی است.
- هزینه سرمایهگذاری و توسعه: ساخت تأسیسات جمعآوری CO2، تولید هیدروژن سبز و واحدهای سنتز سوخت نیازمند سرمایهگذاریهای اولیه بالایی است.
- مقیاسپذیری: دستیابی به مقیاس تولید سوخت مورد نیاز برای مأموریتهای فضایی بزرگ یا حتی استفادههای زمینی، نیازمند توسعه تأسیسات عظیم و هماهنگ است.
با وجود این چالشها، پیشرفتهای سریع در حوزه شیمی سبز، کاتالیزورها، مهندسی مواد و فناوریهای انرژی تجدیدپذیر، چشمانداز روشنی را برای استفاده از CO2 در تولید سوخت موشک ترسیم میکند. سازمانهایی مانند ناسا، ESA (سازمان فضایی اروپا) و شرکتهای خصوصی فضایی، سرمایهگذاری قابل توجهی در تحقیق و توسعه این فناوریها انجام دادهاند. انتظار میرود با تکمیل چرخه تحقیق، توسعه و آزمایش، شاهد استفاده گستردهتر از این سوختهای پایدار در مأموریتهای فضایی آینده باشیم.
تبدیل دیاکسید کربن از یک عامل مخرب زیستمحیطی به سوختی حیاتی برای سفر انسان به ستارگان، نمادی از هوشمندی و خلاقیت بشر در مواجهه با چالشهای سیارهای و کیهانی است. این گام، نه تنها آینده اکتشافات فضایی را پایدارتر میکند، بلکه الگویی برای ایجاد اقتصاد چرخشی و پایدار در زمین نیز خواهد بود.
————————————————–
منابع