Искусственный фотосинтез позволит жить за пределами Земли
Жизнь на Земле обязана своим существованием фотосинтезу — процессу, которому 2,3 миллиарда лет. Эта реакция позволяет растениям и другим организмам собирать солнечный свет, воду и углекислый газ, преобразуя их в кислород и энергию.
Согласно новой статье, опубликованной в Nature Communications, недавние достижения в области искусственного фотосинтеза вполне могут стать ключом к выживанию и процветанию вдали от Земли.
Уже существуют способы получения кислорода путем переработки углекислого газа. Большая часть кислорода на МКС образуется в результате электролиза, который использует электричество от солнечных панелей станции для расщепления воды на газообразный водород и кислород, которым дышат астронавты. Станция также оснащена отдельной системой, преобразующей углекислый газ в воду и метан.
Но эти технологии ненадежны и сложны в обслуживании. Поиск альтернативных систем, которые можно было бы использовать на Луне и при полетах на Марс, продолжается. Одна из возможностей заключается в сборе солнечной энергии и использовании ее для производства кислорода и утилизации углекислого газа в одном устройстве. Единственным другим источником энергии в таком устройстве была бы вода. Это могло бы уменьшить вес и объем системы — два ключевых критерия для освоения космоса. Также это было бы более эффективно.
Можно было бы использовать дополнительную тепловую энергию, выделяющуюся в процессе улавливания солнечной энергии непосредственно для ускорения химических реакций. Кроме того, можно было бы значительно сократить затраты на сложную проводку и техническое обслуживание.
Ученые разработали теоретическую основу для анализа и прогнозирования производительности таких интегрированных устройств «искусственного фотосинтеза» для применения на Луне и Марсе.
Вместо хлорофилла, который отвечает за поглощение света растениями и водорослями, в этих устройствах используются полупроводниковые материалы, которые могут быть непосредственно покрыты простыми металлическими катализаторами, поддерживающими желаемую химическую реакцию.
Анализ показывает, что эти устройства действительно были бы жизнеспособны в дополнение к существующим технологиям жизнеобеспечения, таким как генератор кислорода, используемый на МКС. Это особенно актуально в сочетании с устройствами, которые концентрируют солнечную энергию для приведения реакций в действие (по сути, это большие зеркала, которые фокусируют поступающий солнечный свет).
Есть и другие подходы. Например, можно производить кислород непосредственно из лунного грунта (реголита). Но для этого требуются высокие температуры.
С другой стороны, устройства искусственного фотосинтеза могли бы работать при комнатной температуре и давлении, характерном для Марса и Луны. Это означает, что их можно было бы использовать непосредственно в местах обитания, используя воду в качестве основного ресурса.
Это особенно интересно, учитывая предполагаемое наличие ледяной воды в лунном кратере Шеклтон, который является предполагаемым местом посадки в будущих лунных миссиях.
На Марсе атмосфера состоит почти на 96% из углекислого газа, что идеально подходит для устройства искусственного фотосинтеза. Интенсивность света на Красной планете слабее, чем на Земле, из-за большего расстояния от Солнца, однако эти устройства смогут работать и там.
Эффективное и надежное производство кислорода и других химических веществ, а также утилизация углекислого газа на борту космических аппаратов и в местах обитания — это огромная задача, которую необходимо решить для долгосрочных космических полетов.
Существующие системы электролиза, работающие при высоких температурах, требуют значительного расхода энергии. А устройства для преобразования углекислого газа в кислород на Марсе все еще находятся в зачаточном состоянии, независимо от того, основаны они на фотосинтезе или нет.
Таким образом, необходимо несколько лет интенсивных исследований, чтобы иметь возможность использовать эти устройства в космосе. Копирование основных элементов естественного фотосинтеза могло бы дать некоторые преимущества, помогая реализовать эти технологии в недалеком будущем.