Bilim adamları Mars’taki suyun detoksifikasyonu için biyokatalitik bir reaktör öneriyor

Mars, NASA, Çin ve SpaceX’in önümüzdeki yıllarda oraya insanlı görevler göndermeyi planladığı, insanlı uzay araştırmalarının bir sonraki sınırıdır. Her durumda planlar, yüzeyde geri dönüş görevlerine, son teknoloji araştırmalara ve hatta belki bir gün kalıcı yerleşimlere olanak sağlayacak yaşam alanları kurmayı içeriyor. Botları Mars toprağına koyma fikri heyecan verici olsa da, bir dizi zorluğun önceden ele alınması gerekiyor. Bunlardan en önemlisi, büyük ölçüde yer altı su buzu birikintilerinden oluşan su kaynaklarının yerini tespit etme ihtiyacıdır.

Burada başka bir büyük zorluk yatıyor: Mars’taki buz birikintileri, ekipman korozyonuna neden olan ve insan sağlığı için tehlikeli olan (düşük konsantrasyonlarda bile) toksik perkloratlar, güçlü oksitleyiciler tarafından kirletilmiştir. Bu amaçla, mürettebatlı misyonlar, perkloratları içme, sulama ve itici gaz üretiminde kullanmayı planlıyorlarsa, Mars’taki sudan perkloratları çıkarmak için özel ekipman getirmelidir. amacı bu Mars’ı arındırmakAşama I geliştirme için NASA Yenilikçi Gelişmiş Kavramlar (NIAC) programı tarafından seçilen önerilen bir konsept.

Bu konseptin baş geliştiricisi, NASA’nın Ames Araştırma Merkezi’nde (ARC) Kıdemli Araştırma Bilimcisi ve NASA Genel Merkezinde Bilim ve Teknoloji Misyonu Direktörlüğü’nün (STMD) Araştırma ve Teknoloji Lideri Lynn Rothschild’dir. Kendisi ve meslektaşlarının tekliflerinde belirttiği gibi, “Mars’ta beklenen su talebinin ölçeği, büyük miktarda sarf malzemesi, yüksek elektrik çekimi veya suyun ön arıtımını gerektiren geleneksel su arıtma yaklaşımlarının eksikliklerini vurgulamaktadır.”

Perkloratlar (ClO_4-), klor bileşikleri oksitlendiğinde oluşan perklorat iyonunu içeren kimyasal bileşiklerdir. Perklorat tuzları kinetik olarak kararlıdır, çok çözünür, düşük ötektik sıcaklığa (donmadan önce ulaşabilecekleri en düşük sıcaklık) sahiptir ve yüksek sıcaklıklarda çok reaktif hale gelir. Klorat (ClO_3-) tuzlar benzerdir ancak kinetik olarak perkloratlardan daha az stabildirler. Perkloratlar Mars’ta ilk kez Mayıs 2008’de kuzey Vastitas Borealis bölgesine inen Phoenix misyonundaki Islak Kimya Laboratuvarı (WCL) cihazı tarafından tespit edildi.

Kuzeydeki bu düz topraklarda bulunan yaklaşık %0,5’lik konsantrasyonlarla bilim insanları, Mars topraklarında organik moleküller bulmaya yönelik daha önceki girişimlerin neden başarısız olduğunu anladılar. Kısacası perklorat, Phoenix’teki ve (1976 ile 1980 yılları arasında Mars’ı keşfeden) ünlü Viking 1 ve 2 iniş araçları üzerindeki kütle spektrometrelerinin herhangi bir şey tespit etmesini engelledi. Bu keşif, Mars’ta organik madde ve astrobiyoloji araştırmalarına olan ilginin yeniden canlanmasına ve Curiosity ve Perseverance keşif araçlarının ortaya çıkmasına yol açtı. O zamandan bu yana hem yüzeyden hem de yörüngeden yapılan çok sayıda görevde perklorat (ve muhtemelen klorat) konsantrasyonları tespit edildi.

Burada, Dünya’da perkloratlar, suyun dekontaminasyonu için uygulamaları olan aşırı tuzlu topraklarda bulunan bakteriler tarafından doğal olarak azaltılır. Ne yazık ki aynı bakteriler uzay uçuşlarında kanıtlanmadıkları için dünya dışı kullanım için uygun değiller. Bunun yerine Rothschild ve ekibi, bu doğal perklorat azaltıcı süreçten yararlanmak (ve geliştirmek) için sentetik biyolojiden yararlanan bir biyoreaktör tasarlıyor. Spesifik olarak, yöntemleri Dünya bazlı perklorat azaltan bakterilerde (pcrAB ve cld) bulunan iki anahtar gene dayanmaktadır.

Bu genler daha sonra uzay uçuşlarında kanıtlanmış Bacillus subtilis 168 bakteri suşuna dönüştürülür ve bu bakteri doğal olarak kloratı (ClO) dönüştürür._-3) ve perklorat (ClO_4-) klorüre (Cl^–) ve oksijen gazı (O₂). Oksijen gazı Mars habitatlarında hemen kullanılabilir veya araç dışı faaliyetler (EVA’lar) için tanklarda depolanırken, klorür beslenme de dahil olmak üzere çeşitli amaçlar için kullanılabilir. Süreç son derece sürdürülebilir ve ölçeklenebilirdir ve (geleneksel filtreleme sistemlerinden farklı olarak) perklorat ve klorat atıklarının başka bir yere boşaltılması ihtiyacını ortadan kaldırır.

Aşama I finansmanı güvence altına alındığında, Rothschild ve meslektaşları Mars’a bir biyoreaktör göndermenin fizibilitesini test etmeyi planlıyor. İlk adım, PcrAB ve cld genlerini B. subtilis 168 suşlarına dönüştürmek ve perklorat azaltma yeteneklerini test etmek olacaktır. Ayrıca süreçlerinin performansını, özellikle süreci tamamlamak için gereken kütle, güç ve zaman açısından geleneksel mühendislik yaklaşımlarıyla karşılaştırmak için bir ticari çalışma yürütmeyi planlıyorlar. Son adım, Rothschild ve ekibinin Mars’a yapılacak mürettebatlı bir görev için teknolojiyi mimariye dahil etme planını oluşturmasından oluşacak.

“Sistem, yıllarca oda sıcaklığında stabil, inert, kurutulmuş sporlar olarak piyasaya sürülecek” diyorlar. “Mars’a vardıklarında sporlar yeniden sulandırılacak ve gezegensel koruma standartlarını karşılayan bir biyoreaktörde büyütülecek. Mars suyu, perklorat azaltımını gerçekleştirmek için biyoreaktör tarafından işlenecek. İşlenmiş su daha sonra kullanılabilir veya gerektiğinde daha fazla saflaştırılabilir.”

Tekliflerinde de belirttikleri gibi, bu teknolojinin Dünya’daki su arındırma sistemleri ve çevre restorasyonu üzerinde etkileri olacak:

“Detoksifikasyon biyoteknolojimizin geliştirilmesi, aynı zamanda Dünya üzerindeki doğal ve özellikle endüstriyel karasal perklorat kirliliğine karşı daha etkili çözümlere yol açacaktır. Aynı zamanda, çevresel sorunlarımıza çözüm bulmak için yalnızca endüstriyel çözümler yerine yaşamın kullanılması potansiyeline de ışık tutacaktır; bu da çevre sorunlarımızı teşvik edebilir. iklim değişikliği gibi diğer karasal çevre sorunlarına yönelik daha fazla yenilik.”