Життя на Землі завдячує своїм існуванням фотосинтезу – процесу, якому 2,3 мільярда років. Ця надзвичайно захоплююча (і досі не повністю зрозуміла) реакція дозволяє рослинам та іншим організмам збирати сонячне світло, воду та вуглекислий газ, перетворюючи їх на кисень та енергію у формі цукру.

Фотосинтез є настільки невід’ємною частиною функціонування Землі, що ми сприймаємо його як належне. Але коли ми дивимося за межі нашої власної планети в пошуки місць, які можна дослідити та оселитися, стає очевидним, наскільки рідкісним і цінним є цей процес.

Як ми з колегами досліджували в новій статті, опублікованій у Nature Communications , нещодавні досягнення у створенні штучного фотосинтезу цілком можуть бути ключовими для виживання та процвітання далеко від Землі.

Потреба людини в кисні робить космічні подорожі складними. Обмеження щодо палива обмежують кількість кисню, який ми можемо брати з собою, особливо якщо ми хочемо здійснити далекі подорожі на Місяць і Марс . Подорож на Марс в один бік зазвичай займає близько двох років, тобто ми не можемо легко відправити запаси ресурсів із Землі.

На Міжнародній космічній станції вже існують способи виробництва кисню шляхом переробки вуглекислого газу. Більшість кисню на МКС надходить у результаті процесу під назвою «електроліз», який використовує електроенергію від сонячних панелей станції для розщеплення води на водень і кисень , якими вдихають астронавти.

Він також має окрему систему, яка перетворює вуглекислий газ, який видихають астронавти, у воду та метан.

Але ці технології ненадійні, неефективні, важкі та складні в обслуговуванні. Процес генерації кисню, наприклад, вимагає близько однієї третини загальної енергії, необхідної для роботи всієї системи ISS, що підтримує «контроль навколишнього середовища та підтримку життя» .

Шляхи вперед

Тому пошук альтернативних систем, які можна використовувати на Місяці та під час подорожей на Марс, триває. Одна з можливостей полягає в тому, щоб збирати сонячну енергію (яку в космосі багато) і безпосередньо використовувати її для виробництва кисню та переробки вуглекислого газу лише в одному пристрої.

Єдиним джерелом для такого пристрою буде вода – подібно до процесу фотосинтезу, що відбувається в природі. Це дозволить уникнути складних установок, де два процеси збору світла та хімічного виробництва розділені, як, наприклад, на МКС.

Це цікаво, оскільки це може зменшити вагу та об’єм системи – два ключових критерії для дослідження космосу. Але це також було б ефективніше.

Ми могли б використати додаткову теплову (теплову) енергію, що виділяється під час процесу уловлювання сонячної енергії, безпосередньо для каталізації (запалювання) хімічних реакцій – тим самим прискорюючи їх. Крім того, можна значно скоротити складну проводку та технічне обслуговування.

Ми розробили теоретичну основу для аналізу та прогнозування продуктивності таких інтегрованих пристроїв «штучного фотосинтезу» для застосування на Місяці та Марсі.

Замість хлорофілу, який відповідає за поглинання світла в рослинах і водоростях, у цих пристроях використовуються напівпровідникові матеріали, які можуть бути покриті безпосередньо простими металевими каталізаторами, що підтримують бажану хімічну реакцію.

Наш аналіз показує, що ці пристрої справді могли б доповнити існуючі технології життєзабезпечення, такі як генератор кисню, який використовується на МКС. Це особливо актуально в поєднанні з пристроями, які концентрують сонячну енергію для посилення реакцій (по суті, великі дзеркала, які фокусують вхідне сонячне світло).

Є й інші підходи. Наприклад, ми можемо виробляти кисень безпосередньо з місячного ґрунту (реголіту). Але для цього потрібні високі температури.

Пристрої штучного фотосинтезу, з іншого боку, можуть працювати при кімнатній температурі під тиском, який спостерігається на Марсі та Місяці. Це означає, що їх можна використовувати безпосередньо в середовищах існування та використовувати воду як основний ресурс.

Це особливо цікаво, враховуючи наявність крижаної води в місячному кратері Шеклтон , який є очікуваним місцем посадки в майбутніх місячних місіях.

Атмосфера Марса майже на 96% складається з вуглекислого газу, що ідеально підходить для штучного фотосинтезу. Але інтенсивність світла на червоній планеті слабша, ніж на Землі через більшу віддаленість від Сонця.

Тож чи буде це проблемою? Ми фактично розрахували інтенсивність сонячного світла, доступного на Марсі. Ми показали, що справді можемо використовувати ці пристрої там, хоча сонячні дзеркала стають ще важливішими.

Ефективне та надійне виробництво кисню та інших хімічних речовин, а також переробка вуглекислого газу на борту космічних кораблів і в середовищах існування є величезним викликом, який нам потрібно впоратися для довготривалих космічних місій.

Існуючі електролізні системи, що працюють при високих температурах, вимагають значних витрат енергії. А пристрої для перетворення вуглекислого газу на кисень на Марсі все ще знаходяться в зародковому стані, незалежно від того, засновані вони на фотосинтезі чи ні.

Тому для використання цієї технології в космосі необхідно кілька років інтенсивних досліджень. Копіювання важливих фрагментів природного фотосинтезу може дати нам певні переваги, допомагаючи реалізувати їх у не надто віддаленому майбутньому.

Використання в космосі і на Землі

Віддача була б величезною. Наприклад, ми могли б фактично створити штучну атмосферу в космосі та виробляти хімічні речовини, необхідні для довгострокових місій, такі як добрива, полімери чи фармацевтичні препарати.

Крім того, знання, які ми отримуємо в результаті проектування та виготовлення цих пристроїв, можуть допомогти нам вирішити проблему зеленої енергії на Землі.

Нам пощастило мати рослини та водорості для виробництва кисню. Але пристрої штучного фотосинтезу можна використовувати для виробництва водню або палива на основі вуглецю (замість цукру), що відкриває зелений шлях для виробництва багатих енергією хімічних речовин, які ми можемо зберігати та використовувати на транспорті.

Дослідження космосу та наша майбутня енергетична економіка мають дуже схожу довгострокову мету: сталість. Пристрої штучного фотосинтезу цілком можуть стати ключовою частиною його реалізації.