Искусственный фотосинтез: поддержание жизни за пределами Земли?

Фотосинтез настолько неотъемлемая часть функционирования Земли, что мы принимаем его как должное. Но когда мы смотрим за пределы нашей планеты в поисках мест для исследования и поселения, становится очевидным, насколько редким и ценным является этот процесс.

Как мы с коллегами исследовали в новой статье, опубликованной в Nature Communications, недавние достижения в создании искусственного фотосинтеза вполне могут стать ключом к выживанию и процветанию вдали от Земли.

Потребность человека в кислороде затрудняет космические путешествия. Ограничения по топливу ограничивают количество кислорода, которое мы можем взять с собой, особенно если мы хотим совершить дальние путешествия на Луну и Марс. Путешествие на Марс в один конец обычно занимает порядка двух лет, а это означает, что мы не можем легко отправлять запасы ресурсов с Земли.

Уже есть способы производить кислород путем переработки углекислого газа на Международной космической станции. Большая часть кислорода на МКС поступает в результате процесса, называемого «электролиз», в котором электричество от солнечных панелей станции используется для расщепления воды на газообразный водород и газообразный кислород, которыми астронавты вдыхают.

У него также есть отдельная система, преобразующая выдыхаемый астронавтами углекислый газ в воду и метан.

Но эти технологии ненадежны, неэффективны, тяжелы и сложны в обслуживании. Процесс генерации кислорода, например, требует около одной трети всей энергии, необходимой для работы всей системы МКС, поддерживающей «экологический контроль и жизнеобеспечение».

Пути вперед

Поэтому поиск альтернативных систем, которые можно было бы использовать на Луне и в полетах на Марс, продолжается. Одна из возможностей состоит в том, чтобы собирать солнечную энергию (которой в космосе предостаточно) и напрямую использовать ее для производства кислорода и рециркуляции углекислого газа только в одном устройстве.

Единственным другим входом в такое устройство будет вода — подобно процессу фотосинтеза, происходящему в природе. Это позволит обойти сложные установки, в которых два процесса сбора света и химического производства разделены, как на МКС.

Это интересно, поскольку может уменьшить вес и объем системы — два ключевых критерия для освоения космоса. Но это было бы и эффективнее.

Мы могли бы использовать дополнительную тепловую (тепловую) энергию, выделяющуюся в процессе улавливания солнечной энергии, непосредственно для катализа (зажигания) химических реакций, тем самым ускоряя их. Более того, сложная проводка и техническое обслуживание могут быть значительно сокращены.

Мы разработали теоретическую основу для анализа и прогнозирования производительности таких интегрированных устройств «искусственного фотосинтеза» для приложений на Луне и Марсе.

Вместо хлорофилла, отвечающего за поглощение света растениями и водорослями, в этих устройствах используются полупроводниковые материалы, на которые можно наносить непосредственно простые металлические катализаторы, поддерживающие желаемую химическую реакцию.

Наш анализ показывает, что эти устройства действительно могли бы дополнить существующие технологии жизнеобеспечения, такие как блок генератора кислорода, используемый на МКС.

Это особенно актуально в сочетании с устройствами, которые концентрируют солнечную энергию для обеспечения реакции (в основном это большие зеркала, которые фокусируют падающий солнечный свет).

Есть и другие подходы. Например, мы можем производить кислород непосредственно из лунного грунта (реголита). Но для этого нужны высокие температуры.
Устройства искусственного фотосинтеза, с другой стороны, могут работать при комнатной температуре и давлениях, характерных для Марса и Луны. Это означает, что их можно использовать непосредственно в местах обитания и использовать воду в качестве основного ресурса.

Это особенно интересно, учитывая оговоренное присутствие ледяной воды в лунном кратере Шеклтона, который является предполагаемой площадкой для посадки в будущих лунных миссиях.

На Марсе атмосфера почти на 96% состоит из углекислого газа, что кажется идеальным для устройства искусственного фотосинтеза. Но интенсивность света на красной планете слабее, чем на Земле из-за большего расстояния от Солнца.

Так не будет ли это проблемой? Мы фактически рассчитали интенсивность солнечного света, доступную на Марсе. Мы показали, что действительно можем использовать эти устройства там, хотя солнечные зеркала становятся еще более важными.

Эффективное и надежное производство кислорода и других химических веществ, а также утилизация углекислого газа на борту космических кораблей и в местах обитания — это огромная проблема, которую нам необходимо решить для долгосрочных космических миссий.

Существующие системы электролиза, работающие при высоких температурах, требуют значительных затрат энергии. И устройства для преобразования углекислого газа в кислород на Марсе все еще находятся в зачаточном состоянии, независимо от того, основаны они на фотосинтезе или нет.

Поэтому необходимо несколько лет интенсивных исследований, чтобы использовать эту технологию в космосе. Копирование основных фрагментов природного фотосинтеза может дать нам некоторые преимущества, помогая реализовать их в недалеком будущем.

Использование в космосе и на Земле

Доходы были бы огромными. Например, мы могли бы создать искусственную атмосферу в космосе и производить химические вещества, необходимые для долгосрочных миссий, такие как удобрения, полимеры или фармацевтические препараты.

Кроме того, идеи, которые мы получаем при разработке и производстве этих устройств, могут помочь нам решить проблему экологически чистой энергии на Земле.

Нам повезло, что у нас есть растения и водоросли для производства кислорода. Но устройства искусственного фотосинтеза можно использовать для производства топлива на основе водорода или углерода (вместо сахаров), открывая зеленый путь для производства богатых энергией химических веществ, которые мы можем хранить и использовать в транспорте.

Исследование космоса и наша будущая энергетическая экономика имеют очень похожую долгосрочную цель: устойчивость. Устройства искусственного фотосинтеза вполне могут стать ключевой частью его реализации.

Катарина Бринкерт, доцент кафедры катализа Уорикского университета.