Cometa inspira química para fazer oxigênio respirável em Marte
As histórias de ficção científica estão cheias de esquemas de terraformação e geradores de oxigênio por uma razão muito boa – nós, seres humanos, precisamos de oxigênio molecular (O2) para respirar, e o espaço é essencialmente desprovido dele. Mesmo em outros planetas com atmosferas densas, o O2 é difícil de encontrar.
Então, quando exploramos o espaço, precisamos trazer nosso próprio suprimento de oxigênio. Isso não é ideal porque muita energia é necessária para içar coisas para o espaço em cima de um foguete, e uma vez que o suprimento acabe, ele desaparece.
Um lugar onde o oxigênio molecular aparece fora da Terra está nos fragmentos de gás que saem dos cometas. A fonte desse oxigênio permaneceu um mistério até dois anos atrás, quando Konstantinos P. Giapis, professor de engenharia química na Caltech, e seu colega de pós-doutorado Yunxi Yao, propuseram a existência de um novo processo químico que pudesse explicar sua produção. Giapis, junto com Tom Miller, professor de química, demonstraram agora uma nova reação para gerar oxigênio que, segundo Giapis, poderia ajudar os humanos a explorar o universo e talvez até combater as mudanças climáticas em casa. Mais fundamentalmente, porém, ele diz que a reação representa um novo tipo de química descoberta ao estudar cometas.
A maioria das reações químicas requer energia, que é tipicamente fornecida como calor. A pesquisa de Giapis mostra que algumas reações incomuns podem ocorrer fornecendo energia cinética. Quando moléculas de água são disparadas como minúsculas balas em superfícies contendo oxigênio, como areia ou ferrugem, a molécula de água pode arrancar esse oxigênio para produzir oxigênio molecular. Essa reação ocorre nos cometas quando as moléculas de água se evaporam da superfície e são aceleradas pelo vento solar até que retornam ao cometa em alta velocidade.
Cometas, no entanto, também emitem dióxido de carbono (CO2). Giapis e Yao queriam testar se o CO2 também poderia produzir oxigênio molecular em colisões com a superfície do cometa. Quando encontraram o O2 na corrente de gases que saía do cometa, eles queriam confirmar que a reação era semelhante à reação da água. Eles projetaram um experimento para colidir CO2 na superfície inerte da folha de ouro, que não pode ser oxidada e não deve produzir oxigênio molecular. No entanto, o O2 continuou a ser emitido a partir da superfície do ouro. Isso significa que ambos os átomos de oxigênio vêm da mesma molécula de CO2, dividindo-a de maneira extraordinária.
“Na época, achamos que seria impossível combinar os dois átomos de oxigênio de uma molécula de CO2, porque o CO2 é uma molécula linear, e você teria que dobrar a molécula severamente para que ela funcionasse”, diz Giapis. “Você está fazendo algo realmente drástico para a molécula.”
Para entender o mecanismo de como o CO2 se decompõe em oxigênio molecular, Giapis abordou Miller e seu colega de pós-doutorado Philip Shushkov, que projetaram simulações computacionais de todo o processo. Entender a reação representou um desafio significativo devido à possível formação de moléculas excitadas. Essas moléculas têm tanta energia que seus átomos constituintes vibram e giram em torno de um enorme grau. Todo esse movimento dificulta a simulação da reação em um computador, porque os átomos dentro das moléculas se movem de formas complexas.
“Em geral, moléculas excitadas podem levar a uma química incomum, então começamos com isso”, diz Miller. “Mas, para nossa surpresa, o estado excitado não criou oxigênio molecular. Em vez disso, a molécula se decompôs em outros produtos. Em última análise, descobrimos que um CO2 severamente dobrado também pode se formar sem excitar a molécula e que poderia produzir O2.”
O aparelho que Giapis projetou para realizar a reação funciona como um acelerador de partículas, transformando as moléculas de CO2 em íons, dando-lhes uma carga e acelerando-as usando um campo elétrico, embora com energias muito menores do que as encontradas em um acelerador de partículas. No entanto, ele acrescenta que tal dispositivo não é necessário para a reação ocorrer.
“Você poderia jogar uma pedra com velocidade suficiente em algum CO2 e conseguir a mesma coisa”, diz ele. “Seria necessário viajar tão rápido quanto um cometa ou asteróide viaja pelo espaço.”
Isso poderia explicar a presença de pequenas quantidades de oxigênio que foram observadas na atmosfera marciana. Tem havido especulações de que o oxigênio está sendo gerado pela luz ultravioleta do sol que atinge o CO2, mas Giapis acredita que o oxigênio também é gerado por partículas de poeira de alta velocidade colidindo com moléculas de CO2.
Ele espera que uma variação de seu reator possa ser usada para fazer a mesma coisa em escalas mais úteis – talvez um dia servindo como fonte de ar respirável para os astronautas em Marte ou sendo usado para combater a mudança climática puxando CO2, um gás de efeito estufa. fora da atmosfera da Terra e transformá-lo em oxigênio. Ele reconhece, no entanto, que ambas as aplicações estão muito longe porque a versão atual do reator tem um baixo rendimento, criando apenas uma a duas moléculas de oxigênio para cada 100 moléculas de CO2 disparadas através do acelerador.
“É um dispositivo final? Não. É um dispositivo que pode resolver o problema com Marte? Não. Mas é um dispositivo que pode fazer algo que é muito difícil”, diz ele. “Estamos fazendo algumas coisas malucas com esse reator”.
O artigo descrevendo as descobertas da equipe, intitulado “Evolução direta do dioxigênio em colisões de dióxido de carbono com superfícies”, aparece na edição de 24 de maio da Nature Communications.
Artigo original em https://phys.org/news/2019-05-comet-chemistry-breathable-oxygen-mars.html