Chinese katalysator zet CO2 om in methanol, als brandstof voor Mars

Wie ooit langer op Mars wil wonen, moet daar zelf brandstof en grondstoffen maken. Alles vanaf de aarde meenemen is te zwaar en te duur. Chinese onderzoekers hebben nu een katalysator gemaakt die daarbij kan helpen: een poeder dat koolstofdioxide (CO2) en waterstof omzet in methanol, een vloeibare stof die als brandstof en als grondstof kan dienen.

Het team van onderzoeker Zhang Zhe van het Deep Space Exploration Laboratory in Hefei beschreef het werk op 14 oktober in het Chinese vaktijdschrift Journal of Deep Space Exploration. De proeven zijn gedaan in het lab op aarde.

Waarom methanol?

De lucht op Mars bestaat voor ongeveer 95 procent uit CO2. Die grondstof ligt daar dus overal voor het oprapen. Samen met waterstof kun je er brandstof van maken. De waterstof zou op Mars uit waterijs moeten komen: met stroom kun je water splitsen in waterstof en zuurstof.

De bekendste plannen gaan uit van methaan. SpaceX wil op Mars methaan maken als brandstof voor zijn Starship-raket. Maar methaan is een gas: om het vloeibaar te bewaren, moet het worden gekoeld tot ongeveer −161 graden Celsius. Methanol blijft bij gewone temperatuur en luchtdruk vloeibaar, net als water. Je kunt het dus bewaren in een eenvoudige tank, zonder zware koeling. Op een basis zou methanol kunnen dienen om stroom en warmte op te wekken en voertuigen te laten rijden. Het is ook een grondstof voor andere producten, zoals antivries en bouwmaterialen.

Hoe de katalysator werkt

Een katalysator is een stof die een scheikundige reactie versnelt zonder zelf op te raken. Koper is al lang het standaardmetaal om CO2 en waterstof om te zetten in methanol. Maar CO2 is een heel stabiel molecuul: het reageert niet graag. Het moet eerst goed worden vastgepakt en 'losgeweekt' voordat het koper er waterstof aan kan koppelen. Lukt dat slecht, dan ontstaat er weinig methanol en vaak een ongewenst bijproduct: koolmonoxide.

De onderzoekers bouwden hun katalysator in een metaal-organisch raamwerk: een materiaal vol piepkleine holtes, een soort spons op de schaal van moleculen. Daarin zetten ze losse koperatomen, met vlak ernaast natrium. Het natrium trekt CO2 aan, houdt het vast en verandert het molecuul zo dat het makkelijker reageert. Het koper ernaast zet het dan om in methanol. Vergelijk het met twee mensen aan een werkbank: de een houdt het werkstuk stevig vast, zodat de ander het kan bewerken.

Elf keer meer methanol

Met natrium maakte de katalysator 245 gram methanol per kilo katalysator per uur, ruim 0,3 liter. Dezelfde katalysator zonder natrium haalde 22 gram. Het natrium maakt hem dus ongeveer elf keer productiever. Ook ontstond er minder koolmonoxide. Naast natrium probeerden de onderzoekers ook kalium en cesium, metalen die op natrium lijken; de versie met natrium werkte het best. In proeven van twaalf uur bleef de katalysator stabiel werken.

De opzet bouwt voort op eerder werk. Een katalysator met dezelfde naam en opbouw werd in 2024 al beschreven in het tijdschrift National Science Review, toen nog zonder de blik op Mars. Nieuw is de vergelijking tussen verschillende metalen naast het koper, en de toepassing als brandstoffabriek op een andere planeet.

De volgende stappen

China heeft grote plannen met Mars. In 2021 landde het daar met de missie Tianwen-1 en het verkenningswagentje Zhurong. Met Tianwen-3, die rond 2028 moet vertrekken, wil China rond 2031 als eerste land gesteente van Mars naar de aarde brengen. Brandstof maken op de planeet zelf past bij die ambities voor langere missies.

Voordat de katalysator op Mars kan werken, zijn er nog stappen nodig. De lucht daar is erg dun: de luchtdruk is minder dan 1 procent van die op aarde. Ingenieurs werken daarom aan lichte compressoren die de ijle lucht kunnen opvangen en samenpersen. Ook moet de waterstofproductie uit ijs op gang komen, zodat alle onderdelen samen één werkend systeem vormen.

Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?

Wie lange tijd op een andere planeet wil leven, moet daar kunnen maken wat nodig is. Dit onderzoek laat zien hoe slim materiaalontwerp daarbij helpt: door twee soorten atomen precies naast elkaar te zetten, wordt een lastige reactie elf keer productiever. Bovendien levert die reactie een brandstof op die je zonder zware koeling kunt bewaren. Elk onderdeel van zo'n brandstoffabriek op Mars maakt een basis minder afhankelijk van bevoorrading vanaf de aarde. De volgende stap is om katalysator, compressor en waterstofproductie samen te testen. Daarmee komt een basis die grotendeels op eigen kracht draait weer een stukje dichterbij.

Wat is de technologische singulariteit? Lees de uitleg →