Livet på jorden skylder sin eksistens til fotosyntese – en prosess som er 2,3 milliarder år gammel. Denne uhyre fascinerende (og fortsatt ikke fullt ut forstått) reaksjonen gjør at planter og andre organismer kan høste sollys, vann og karbondioksid mens de omdanner dem til oksygen og energi i form av sukker.
Fotosyntese er en så integrert del av jordens funksjon at vi stort sett tar det for gitt. Men når vi ser utover vår egen planet etter steder å utforske og bosette oss på, er det åpenbart hvor sjelden og verdifull prosessen er.
Som mine kolleger og jeg har undersøkt i en ny artikkel, publisert i Nature Communications, kan nyere fremskritt i å lage kunstig fotosyntese godt være nøkkelen til å overleve og trives borte fra jorden.
Menneskets behov for oksygen gjør romfart vanskelig. Drivstoffbegrensninger begrenser mengden oksygen vi kan bære med oss, spesielt hvis vi ønsker å gjøre langdistanseturer til månen og Mars. En enveisreise til Mars tar vanligvis i størrelsesorden to år, noe som betyr at vi ikke enkelt kan sende ressurser fra jorden.
Det finnes allerede måter å produsere oksygen ved å resirkulere karbondioksid på den internasjonale romstasjonen. Det meste av oksygenet til ISS kommer fra en prosess som kalles “elektrolyse”, som bruker elektrisitet fra stasjonens solcellepaneler til å splitte vann til hydrogengass og oksygengass, som astronauter puster inn. Den har også et eget system som omdanner karbondioksidet astronautene puster inn. ut i vann og metan.
Men disse teknologiene er upålitelige, ineffektive, tunge og vanskelige å vedlikeholde. Oksygengenereringsprosessen, for eksempel, krever omtrent en tredjedel av den totale energien som trengs for å drive hele ISS sitt system som støtter «miljøkontroll og livsstøtte».
Veier fremover
Letingen etter alternative systemer som kan brukes på månen og på reiser til Mars pågår derfor. En mulighet er å høste solenergi (som er rikelig i verdensrommet) og direkte bruke den til oksygenproduksjon og resirkulering av karbondioksid i bare én enhet.
Den eneste andre inngangen i en slik enhet ville være vann – lik fotosynteseprosessen som foregår i naturen. Det ville omgå komplekse oppsett der de to prosessene med lys høsting og kjemisk produksjon er atskilt, for eksempel på ISS.
Dette er interessant ettersom det kan redusere vekten og volumet til systemet – to nøkkelkriterier for romutforskning. Men det ville også vært mer effektivt.
Vi kan bruke ekstra termisk (varme) energi som frigjøres under prosessen med å fange solenergi direkte for å katalysere (tenne) de kjemiske reaksjonene – og dermed fremskynde dem. I tillegg kan komplekse ledninger og vedlikehold reduseres betydelig.
Vi produserte et teoretisk rammeverk for å analysere og forutsi ytelsen til slike integrerte “kunstige fotosyntese”-enheter for applikasjoner på månen og Mars.
I stedet for klorofyll, som er ansvarlig for lysabsorpsjon i planter og alger, bruker disse enhetene halvledermaterialer som kan belegges direkte med enkle metalliske katalysatorer som støtter den ønskede kjemiske reaksjonen.
Vår analyse viser at disse enhetene faktisk ville være levedyktige for å komplementere eksisterende livsstøtteteknologier, for eksempel oksygengeneratoren som brukes på ISS. Dette er spesielt tilfellet når det kombineres med enheter som konsentrerer solenergi for å drive reaksjonene (i hovedsak store speil som fokuserer innkommende sollys).
Det finnes også andre tilnærminger. For eksempel kan vi produsere oksygen direkte fra månejord (regolit). Men dette krever høye temperaturer for å fungere.
Kunstige fotosynteseenheter, derimot, kunne operere ved romtemperatur ved trykk funnet på Mars og månen. Det betyr at de kan brukes direkte i habitater og bruke vann som hovedressurs.
Dette er spesielt interessant gitt den fastsatte tilstedeværelsen av isvann i månekrateret Shackleton, som er et forventet landingssted i fremtidige måneoppdrag.
På Mars består atmosfæren av nesten 96 % karbondioksid – tilsynelatende ideelt for en kunstig fotosynteseenhet. Men lysintensiteten på den røde planeten er svakere enn på jorden på grunn av den større avstanden fra solen.
Så vil dette utgjøre et problem? Vi beregnet faktisk sollysintensiteten tilgjengelig på Mars. Vi viste at vi faktisk kan bruke disse enhetene der, selv om solspeil blir enda viktigere.
Effektiv og pålitelig produksjon av oksygen og andre kjemikalier samt resirkulering av karbondioksid ombord i romfartøy og i habitater er en enorm utfordring som vi må mestre for langsiktige romfart.
Eksisterende elektrolysesystemer, som opererer ved høye temperaturer, krever en betydelig mengde energitilførsel. Og enheter for å omdanne karbondioksid til oksygen på Mars er fortsatt i sin spede begynnelse, enten de er basert på fotosyntese eller ikke.
Så flere år med intens forskning er nødvendig for å kunne bruke denne teknologien i verdensrommet. Å kopiere de essensielle bitene fra naturens fotosyntese kan gi oss noen fordeler, og hjelpe oss med å realisere dem i en ikke altfor fjern fremtid.
Avkastningen ville vært enorm. For eksempel kan vi faktisk skape kunstige atmosfærer i verdensrommet og produsere kjemikalier vi trenger på langsiktige oppdrag, for eksempel gjødsel, polymerer eller legemidler.
I tillegg kan innsikten vi får fra å designe og produsere disse enhetene hjelpe oss med å møte den grønne energiutfordringen på jorden.
Vi er så heldige å ha planter og alger for å produsere oksygen. Men kunstige fotosynteseenheter kan brukes til å produsere hydrogen eller karbonbasert brensel (i stedet for sukker), noe som åpner for en grønn måte for produksjon av energirike kjemikalier som vi kan lagre og bruke i transport.
Utforskningen av verdensrommet og vår fremtidige energiøkonomi har et svært likt langsiktig mål: bærekraft. Kunstige fotosynteseenheter kan godt bli en viktig del av å realisere det.
Mer informasjon:
Byron Ross et al., Vurdering av den teknologiske levedyktigheten til fotoelektrokjemiske enheter for oksygen- og drivstoffproduksjon på månen og Mars, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38676-2
Levert av The Conversation
Denne artikkelen er publisert på nytt fra The Conversation under en Creative Commons-lisens. Les originalartikkelen.
Sitering: Romkolonier: Hvordan kunstig fotosyntese kan være nøkkelen til vedvarende liv utenfor Jorden (2023, 7. juni) hentet 8. juni 2023 fra https://phys.org/news/2023-06-space-colonies-artificial-photosynthesis-key. html
Dette dokumentet er underlagt opphavsrett. Bortsett fra enhver rettferdig handel for formålet med private studier eller forskning, kan ingen del reproduseres uten skriftlig tillatelse. Innholdet er kun gitt for informasjonsformål.