Жизнь на Земле обязана своим существованием фотосинтезу — процессу, которому 2,3 миллиарда лет. Эта чрезвычайно увлекательная (и до сих пор не до конца изученная) реакция позволяет растениям и другим организмам собирать солнечный свет, воду и углекислый газ, превращая их в кислород и энергию в виде сахара.

Фотосинтез является таким неотъемлемым элементом. часть функционирования Земли, которую мы в значительной степени воспринимаем как должное. Но когда мы смотрим за пределы нашей планеты в поисках мест, которые можно исследовать и заселять, становится очевидным, насколько редким и ценным является этот процесс.

Как мы с коллегами исследовали в новой статье, опубликованной в Nature Communications. , последние достижения в области создания 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 отправить запасы ресурсов с Земли.

Существуют способы производства кислорода путем переработки углекислого газа на международном уровне. Космическая станция. Большая часть кислорода на МКС поступает в результате процесса, называемого «электролизом», в котором электричество от солнечных панелей станции используется для расщепления воды на газообразный водород и газообразный кислород, которыми дышат астронавты.

У него также есть отдельная система. превращая 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 использовать на Луне и в полетах на Марс, непрерывный. Одна из возможностей — 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 — аналогично к процессу фотосинтеза, происходящему в природе. Это позволит обойти сложные установки, в которых два процесса: сбор урожая и химическое производство разделены, например, на МКС.

Это интересно, поскольку может уменьшить вес и объем системы — два ключевых фактора. Критерии освоения космоса. Но это было бы и более эффективно.

Мы могли бы использовать дополнительную тепловую (тепловую) энергию, выделяющуюся в процессе улавливания солнечной энергии, непосредственно для катализа (зажигания) химических реакций – тем самым ускоряя их. Кроме того, можно было бы значительно сократить количество сложных проводов и обслуживания.

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 будут действительно сможет дополнить существующие технологии жизнеобеспечения, такие как генератор кислорода, используемый на МКС. Это особенно актуально в сочетании с устройствами, которые концентрируют солнечную энергию для обеспечения реакции (по сути, большие зеркала, которые фокусируют падающий солнечный свет).

Есть и другие подходы. Например, мы можем производить кислород непосредственно из лунного грунта (реголита). Но для этого требуются 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 наличие ледяной воды в лунном кратере Шеклтона, который является ожидаемым местом посадки в будущем лунном корабле. миссии.

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

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 переработка углекислого газа на борту космических кораблей и в местах обитания огромная проблема, которую нам необходимо решить для долгосрочных космических миссий.

Существующие системы электролиза, работающие при высоких температурах, требуют значительного количества 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 иметь возможность 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

Отдача будет огромный. 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 может помочь нам решить проблему зеленой 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. count.gif?distributor=republish-lightbox-basic» alt=»Разговор» width=»1″ height=»1″ style=»border: none !important; box-shadow: none!important; margin: 0 !important ; max-height: 1px !важно; max-width: 1px !важно; min-height: 1px !важно; min-width: 1px !важно; непрозрачность: 0 !важно; контур: нет !важно; padding: 0 !важно ;» referrerpolicy=»no-referrer-when-downgrade»>

Катарина Бринкерт, доцент кафедры катализа Уорикского университета

Эта статья переиздано из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите исходную статью.