Les histoires de science-fiction regorgent de schémas de terraformation et de générateurs d'oxygène pour une très bonne raison :nous, les humains, avons besoin d'oxygène moléculaire (O 2 ) respirer, et l'espace en est essentiellement dépourvu. Même sur d'autres planètes aux atmosphères épaisses, O 2 est difficile à trouver.

Donc, quand nous explorons l'espace, nous devons apporter notre propre approvisionnement en oxygène. Ce n'est pas idéal car il faut beaucoup d'énergie pour hisser des objets dans l'espace au sommet d'une fusée, et une fois l'approvisionnement épuisé, c'est parti.

Un endroit où l'oxygène moléculaire apparaît en dehors de la Terre est dans les volutes de gaz s'écoulant des comètes. La source de cet oxygène est restée un mystère jusqu'à il y a deux ans lorsque Konstantinos P. Giapis, professeur de génie chimique à Caltech, et son boursier postdoctoral Yunxi Yao, a proposé l'existence d'un nouveau procédé chimique qui pourrait expliquer sa production. Giapis, avec Tom Miller, professeur de chimie, ont maintenant démontré une nouvelle réaction pour générer de l'oxygène qui, selon Giapis, pourrait aider les humains à explorer l'univers et peut-être même à lutter contre le changement climatique chez eux. Plus fondamentalement cependant, il dit que la réaction représente un nouveau type de chimie découvert en étudiant les comètes.

La plupart des réactions chimiques nécessitent de l'énergie, qui est généralement fournie sous forme de chaleur. Les recherches de Giapis montrent que certaines réactions inhabituelles peuvent se produire en fournissant de l'énergie cinétique. Lorsque les molécules d'eau sont projetées comme des balles extrêmement minuscules sur des surfaces contenant de l'oxygène, comme le sable ou la rouille, la molécule d'eau peut arracher cet oxygène pour produire de l'oxygène moléculaire. Cette réaction se produit sur les comètes lorsque les molécules d'eau s'évaporent de la surface et sont ensuite accélérées par le vent solaire jusqu'à ce qu'elles s'écrasent contre la comète à grande vitesse.

Comètes, cependant, émettent également du dioxyde de carbone (CO 2 ). Giapis et Yao voulaient tester si le CO 2 pourrait également produire de l'oxygène moléculaire lors de collisions avec la surface de la comète. Quand ils ont trouvé O 2 dans le flux de gaz sortant de la comète, ils voulaient confirmer que la réaction était similaire à la réaction de l'eau. Ils ont conçu une expérience pour écraser le CO 2 sur la surface inerte de la feuille d'or, qui ne peut pas être oxydé et ne doit pas produire d'oxygène moléculaire. Néanmoins, L'O2 a continué à être émis par la surface de l'or. Cela signifie que les deux atomes d'oxygène proviennent du même CO 2 molécule, le diviser efficacement d'une manière extraordinaire.

"A l'époque, nous pensions qu'il serait impossible de combiner les deux atomes d'oxygène d'un CO 2 molécule ensemble parce que le CO 2 est une molécule linéaire, et il faudrait plier sévèrement la molécule pour qu'elle fonctionne, " dit Giapis. " Vous faites quelque chose de vraiment drastique à la molécule. "

Pour comprendre le mécanisme de la façon dont le CO 2 se décompose en oxygène moléculaire, Giapis a approché Miller et son boursier postdoctoral Philip Shushkov, qui a conçu des simulations informatiques de l'ensemble du processus. Comprendre la réaction a posé un défi important en raison de la formation possible de molécules excitées. Ces molécules ont tellement d'énergie que leurs atomes qui les composent vibrent et tournent à un degré énorme. Tout ce mouvement rend la simulation de la réaction dans un ordinateur plus difficile, car les atomes à l'intérieur des molécules se déplacent de manière complexe.

"En général, les molécules excitées peuvent conduire à une chimie inhabituelle, alors on a commencé par ça, " dit Miller. " Mais, à notre surprise, l'état excité n'a pas créé d'oxygène moléculaire. Au lieu, la molécule se décompose en d'autres produits. Finalement, nous avons trouvé qu'un CO fortement courbé 2 peut aussi se former sans exciter la molécule, et qui pourrait produire O 2 ."

L'appareil Giapis conçu pour effectuer la réaction fonctionne comme un accélérateur de particules, tourner le CO 2 molécules en ions en leur donnant une charge puis en les accélérant à l'aide d'un champ électrique, bien qu'à des énergies beaucoup plus faibles que celles trouvées dans un accélérateur de particules. Cependant, il ajoute qu'un tel dispositif n'est pas nécessaire pour que la réaction se produise.

"Vous pourriez lancer une pierre avec une vitesse suffisante à un certain CO 2 et obtenir la même chose, " dit-il. " Il faudrait qu'il voyage aussi vite qu'une comète ou un astéroïde voyage dans l'espace. "

Cela pourrait expliquer la présence de petites quantités d'oxygène qui ont été observées dans l'atmosphère martienne. Il y a eu des spéculations que l'oxygène est généré par la lumière ultraviolette du soleil frappant le CO 2 , mais Giapis pense que l'oxygène est également généré par des particules de poussière à grande vitesse entrant en collision avec du CO 2 molécules.

Il espère qu'une variante de son réacteur pourrait être utilisée pour faire la même chose à des échelles plus utiles - peut-être un jour servir de source d'air respirable pour les astronautes sur Mars ou être utilisée pour lutter contre le changement climatique en tirant du CO 2 , un gaz à effet de serre, de l'atmosphère terrestre et la transformer en oxygène. Il reconnaît, cependant, que ces deux applications sont loin car la version actuelle du réacteur a un faible rendement, créant seulement une à deux molécules d'oxygène pour 100 CO 2 molécules tirées à travers l'accélérateur.

"Est-ce un appareil final ? Non. Est-ce un appareil qui peut résoudre le problème avec Mars ? Non. Mais c'est un appareil qui peut faire quelque chose de très difficile, " dit-il. " Nous faisons des choses folles avec ce réacteur. "

Le document décrivant les conclusions de l'équipe, intitulé "Évolution directe du dioxygène dans les collisions du dioxyde de carbone avec les surfaces, " apparaît dans le numéro du 24 mai de Communication Nature .