サバティエ反応
サバティエ反応(サバティエはんのう、Sabatier reaction)は、水素と二酸化炭素を高温高圧状態に置き、ニッケルを触媒としてメタンと水を生成する化学反応。二酸化炭素の水素化反応の一種。さらに効果的な触媒として、酸化アルミニウム上にルテニウムを担持させた触媒も使える。この化学反応は次の式で表される。
CO 2 + 4 H 2 → pressure 400 ∘ C CH 4 + 2 H 2 O {\displaystyle {\ce {CO2{}+4H2->[{} \atop 400\ ^{\circ }{\ce {C}}][{\ce {pressure}}]CH4{}+2H2O}}} ∆H = −165.0 kJ/mol
フランスの化学者ポール・サバティエが発見した。
この反応は発熱反応であり、反応器の触媒に300°C近くの大きな温度勾配が生じる、また300°C近くの低温では十分な反応速度が確保できないのに注意する必要がある。
国際宇宙ステーション上の酸素発生器は、水の電気分解で酸素を作っており、このとき同時に生成する水素は船外に投棄される。乗組員は酸素を消費して二酸化炭素を発生させるが、これも船内の空気から除去して船外に投棄しなければならない。この方法では、酸素の生成だけでなく、乗組員の飲料水や衛生など様々な用途にも使われる水を定期的に大量に宇宙ステーションまで運ばねばならず、地球低軌道を越えて遠くまで行くような長期のミッションではそのままでは実行困難である。
NASAは現在、サバティエ反応を使って呼気の二酸化炭素から水を回収する技法を研究中であり、国際宇宙ステーションや今後のミッションで採用を検討している。この反応で生成されるメタンは船外に投棄されることになる。サバティエ反応に必要な水素のうち半分はメタンとして投棄されるので、その差分を埋めるため、水素を地球から運んでくる必要がある。しかし、水素の供給が比較的少ない量ですむような、水と酸素と二酸化炭素でほぼ閉じた循環を形成できる。
呼吸で生成される他の物質を無視すれば、この循環は次のようになる。
2 H 2 O → electrolysis O 2 + 2 H 2 → respiration CO 2 + 2 H 2 + 2 H 2 added ⟶ 2 H 2 O + CH 4 discarded {\displaystyle {\ce {2H2O->[{\text{electrolysis}}]O2{}+2H2->[{\text{respiration}}]CO2{}+2H2{}+{\overset {added}{2H2}}->2H2O{}+{\overset {discarded}{CH4}}}}}