Z ludzkiego moczu powstało paliwo. Brakowało tylko prądu i soli

Okazuje się, że jednym z surowców przyszłego przemysłu kosmicznego może okazać się coś, czego człowiek pozbywa się każdego dnia. Naukowcy z Adelaide University opisali na łamach Nature synthesis, że mocznik obecny w ludzkim moczu można przekształcić w hydrazynę – wysokoenergetyczny związek od dziesięcioleci wykorzystywany m.in. w układach napędowych satelitów i sond kosmicznych.

Hydrazyna, czyli N2H4, ma zestaw cech, które uczyniły ją bardzo atrakcyjną dla techniki kosmicznej. Można długo przechowywać ją w zbiornikach, a odpowiednio wykorzystana pozwala budować proste i niezawodne silniki do wykonywania manewrów na orbicie oraz kontroli położenia statku.

Jak pisaliśmy na Spider’s Web przy okazji problemów Voyagera 1, to właśnie hydrazyna zasila jego niewielkie silniki korekcyjne. Sonda wystartowała w 1977 r., a paliwo nadal pozwala jej utrzymywać antenę skierowaną w stronę Ziemi.

Hydrazyna ma jednak drugie, dużo mniej ciekawe oblicze. Jest silnie toksyczna, a jej produkcja również nie należy do przyjaznych procesów. Stosowane przemysłowo metody wymagają energochłonnych etapów i silnych utleniaczy, takich jak podchloryn sodu czy nadtlenek wodoru. Dochodzą do tego problemy związane z korozją, bezpieczeństwem transportu i przechowywaniem niebezpiecznych reagentów. Australijski zespół postanowił więc zmienić nie samo paliwo, lecz sposób jego wytwarzania.

Pierwszym niezbędnym surowcem jest mocznik. To prosty związek zawierający azot, produkowany przemysłowo na gigantyczną skalę przede wszystkim na potrzeby nawozów. Jednocześnie występuje w ludzkim moczu i trafia do ścieków. Drugim ważnym składnikiem jest chlorek sodu, czyli dobrze znana sól.

Roztwór mocznika i soli trafia do elektrolizera. Na powierzchni elektrody pokrytej platynowym katalizatorem prąd uruchamia reakcję, w której jony chloru nie tworzą przede wszystkim wolnego chloru. Zamiast tego atomy chloru znajdujące się na powierzchni platyny reagują bezpośrednio z mocznikiem. Powstaje N-chloromocznik – związek pośredni potrzebny do następnego etapu.

To właśnie precyzyjne sterowanie chlorem jest jednym z najważniejszych elementów opisanej metody. Zamiast wcześniej produkować silny utleniacz, magazynować go i później dozować do procesu, reaktywne formy chloru powstają bezpośrednio tam, gdzie są potrzebne. Prąd pełni więc nie tylko rolę źródła energii. Pozwala sterować chemią zachodzącą na powierzchni elektrody.

Po wytworzeniu N-chloromocznika roztwór trzeba połączyć z silnie zasadowym środowiskiem zawierającym wodorotlenek sodu. Badacze dodali również siarczan magnezu. W takich warunkach powstają drobne struktury wodorotlenku magnezu, które działają jak katalizator i ułatwiają przegrupowanie cząsteczek prowadzące do hydrazyny. Ten etap prowadzono przez około 20 min w temperaturze 90 st. C.

Co ciekawe, na drugiej elektrodzie równolegle powstaje wodór. Ostateczny bilans procesu pozwala więc z jednego układu otrzymywać hydrazynę oraz gaz, który sam jest cennym nośnikiem energii. Nie oznacza to jednak, że hydrazyna stała się zielonym paliwem. Sama substancja nadal pozostaje mocno toksyczna. Bardziej ekologiczny ma być sposób jej produkcji: bez organicznych rozpuszczalników i z możliwością zasilania elektrolizera energią ze źródeł odnawialnych.

Badacze nie zakończyli pracy na kilku próbkach w probówkach. Zbudowali zaawansowany przepływowy elektrolizer z membraną, na której umieszczono katalizator platynowy. System pracował przez 240 godzin, czyli 10 dni, w 10 kolejnych cyklach. Przez cały ten czas zachowywał stabilne napięcie, a średnia sprawność wykorzystania elektronów do produkcji hydrazyny wyniosła 60,1 proc.

Na koniec naukowcy oczyścili produkt. Udało się zebrać 134 g stałego siarczanu hydrazyny, którego strukturę i wysoką czystość potwierdzono badaniami rentgenowskimi. Przy odpowiednio dobranym stężeniu mocznika i jonów chloru wydajność przemiany mocznika w hydrazynę dochodziła nawet do 72,3 proc.

Najciekawszy eksperyment przeprowadzono jednak dopiero pod koniec badań. Zamiast idealnie czystego mocznika zastosowano mieszaniny mające przypominać znacznie bardziej kłopotliwe surowce z rzeczywistego świata.

Testowano syntetyczne ścieki przemysłowe bogate w mocznik, symulowany mocz odtwarzający skład ludzkiego moczu oraz prawdziwą wodę morską jako źródło jonów chloru. Dodatkowe sole i związki organiczne nie zablokowały procesu. Sprawność pozostawała powyżej 50 proc., a instalacja pracująca na symulowanym moczu i ściekach działała przez ponad 100 godz.

To otwiera znacznie ciekawszą perspektywę, niż produkowanie hydrazyny z czystego, specjalnie kupionego mocznika. Surowcem mogłyby kiedyś stać się odpady zawierające azot, które i tak wymagają zagospodarowania.

To wszystko nie oznacza jeszcze, że astronauci za kilka lat będą przelewali zawartość toalety do urządzenia produkującego paliwo, chociaż nie można tego oczywiście wykluczyć. Autorzy sami wskazują problemy, które trzeba jeszcze rozwiązać przed przejściem do dużej skali.

W elektrolizerze gromadzą się sole, cały proces nadal zużywa energię, a końcowe oddzielenie i oczyszczenie hydrazyny również jest energochłonne. Platyna stosowana w elektrodach także nie należy do tanich materiałów. Na dodatek przemysł kosmiczny od dawna szuka sposobów na odejście od toksycznej hydrazyny. Polscy naukowcy również pracują nad bezpieczniejszymi paliwami do silników małych rakiet i satelitów.

Przeczytaj także:

Nowa technologia nie rozwiązuje więc wszystkich problemów hydrazyny. Pokazuje jednak, że związek, którego produkcja wymaga dziś niebezpiecznej chemii, można otrzymywać elektrochemicznie z materiału występującego w ściekach. Jeśli uda się zejść z kosztami i zbudować większe reaktory, to, co spuszczamy dziś w toalecie, może stać się całkiem wartościowym surowcem chemicznym.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI