Entonces, cuando exploramos el espacio, necesitamos traer nuestro propio suministro de oxígeno. Eso no es ideal porque se necesita mucha energía para izar las cosas en el espacio sobre un cohete, y una vez que el suministro se agota, desaparece.

Un lugar en el que el oxígeno molecular aparece fuera de la Tierra es en la maraña de gas que sale de los cometas. La fuente de ese oxígeno siguió siendo un misterio hasta hace dos años, cuando Konstantinos P. Giapis, profesor de ingeniería química en Caltech, y su compañero postdoctoral Yunxi Yao, propusieron la existencia de un nuevo proceso químico que podría explicar su producción. Giapis, junto con Tom Miller, profesor de química, ahora han demostrado una nueva reacción para generar oxígeno que, según Giapis, podría ayudar a los humanos a explorar el universo y quizás incluso a combatir el cambio climático en casa. Más fundamentalmente, sin embargo, dice que la reacción representa un nuevo tipo de química descubierta al estudiar los cometas.

La mayoría de las reacciones químicas requieren energía, que normalmente se proporciona como calor. La investigación de Giapis muestra que algunas reacciones inusuales pueden ocurrir al proporcionar energía cinética. Cuando las moléculas de agua se disparan como balas extremadamente pequeñas en superficies que contienen oxígeno, como arena u óxido, la molécula de agua puede arrancar ese oxígeno para producir oxígeno molecular. Esta reacción ocurre en los cometas cuando las moléculas de agua se evaporan de la superficie y luego son aceleradas por el viento solar hasta que chocan contra el cometa a gran velocidad.

Sin embargo, los cometas también emiten dióxido de carbono (CO₂). Giapis y Yao querían probar si CO₂ También podría producir oxígeno molecular en colisiones con la superficie del cometa. Cuando encontraron a O₂ en la corriente de gases que salían del cometa, querían confirmar que la reacción era similar a la reacción del agua. Diseñaron un experimento para estrellar CO₂ sobre la superficie inerte de la lámina de oro, que no se puede oxidar y no debe producir oxígeno molecular. Sin embargo, o₂ Continuó siendo emitido desde la superficie de oro. Esto significa que ambos átomos de oxígeno provienen del mismo CO₂ Molécula, efectivamente dividiéndola de manera extraordinaria.

"En ese momento pensamos que sería imposible combinar los dos átomos de oxígeno de un CO₂ molécula unida porque el CO₂ es una molécula lineal, y tendrías que doblar la molécula severamente para que funcione ", dice Giapis." Estás haciendo algo realmente drástico con la molécula ".

Comprender el mecanismo de cómo el CO.₂ Al descomponerse en oxígeno molecular, Giapis se acercó a Miller y su compañero postdoctoral Philip Shushkov, quien diseñó simulaciones por computadora de todo el proceso. La comprensión de la reacción planteaba un desafío significativo debido a la posible formación de moléculas excitadas. Estas moléculas tienen tanta energía que sus átomos constitutivos vibran y giran en un grado enorme. Todo ese movimiento hace que la simulación de la reacción en una computadora sea más difícil porque los átomos dentro de las moléculas se mueven de formas complejas.

"En general, las moléculas excitadas pueden llevar a una química inusual, así que empezamos con eso", dice Miller. "Pero, para nuestra sorpresa, el estado de excitación no creó oxígeno molecular. En cambio, la molécula se descompuso en otros productos. En última instancia, encontramos que un CO fuertemente doblado₂ También se puede formar sin excitar la molécula, y eso podría producir O.₂. "

El aparato Giapis diseñado para realizar la reacción funciona como un acelerador de partículas, girando el CO₂ Las moléculas se convierten en iones, dándoles una carga y luego acelerándolas usando un campo eléctrico, aunque a energías mucho más bajas que las que se encuentran en un acelerador de partículas. Sin embargo, agrega que tal dispositivo no es necesario para que ocurra la reacción.

"Podrías lanzar una piedra con suficiente velocidad a un poco de CO₂ y lograr lo mismo ", dice." Tendría que estar viajando tan rápido como un cometa o asteroide viaja por el espacio ".

Eso podría explicar la presencia de pequeñas cantidades de oxígeno que se han observado en la atmósfera marciana. Se ha especulado que el oxígeno es generado por la luz ultravioleta del sol que golpea el CO₂, pero Giapis cree que el oxígeno también es generado por partículas de polvo de alta velocidad que chocan con el CO₂ moléculas.

Espera que una variación de su reactor se pueda usar para hacer lo mismo en escalas más útiles, tal vez algún día sirva como fuente de aire respirable para los astronautas en Marte o se use para combatir el cambio climático mediante la extracción de CO₂, un gas de efecto invernadero, fuera de la atmósfera terrestre y convirtiéndolo en oxígeno. Sin embargo, reconoce que ambas aplicaciones están muy lejos porque la versión actual del reactor tiene un bajo rendimiento, creando solo una o dos moléculas de oxígeno por cada 100 CO₂ Las moléculas se dispararon a través del acelerador.

"¿Es un dispositivo final? No. ¿Es un dispositivo que puede resolver el problema con Marte? No. Pero es un dispositivo que puede hacer algo que es muy difícil", dice. "Estamos haciendo algunas locuras con este reactor".

El artículo que describe los hallazgos del equipo, titulado "Evolución directa del dioxígeno en colisiones de dióxido de carbono con superficies", aparece en la edición del 24 de mayo de Comunicaciones de la naturaleza". Los co-autores de Caltech incluyen a Tom Miller, profesor de química; Philip Shushkov, académico postdoctoral en química; y Yunxi Yao, investigador postdoctoral, anteriormente de Caltech. Los fondos para la investigación fueron proporcionados por la National Science Foundation, el Centro Conjunto de La fotosíntesis artificial y el Departamento de Energía de los Estados Unidos.