Yapay fotosentez, Dünya’nın ötesinde sürekli yaşam için nasıl anahtar olabilir?

Dünyadaki yaşam, varlığını 2,3 milyar yıllık bir süreç olan fotosenteze borçludur. Bu son derece büyüleyici (ve hala tam olarak anlaşılamayan) reaksiyon, bitkilerin ve diğer organizmaların güneş ışığını, suyu ve karbondioksiti toplayarak onları oksijen ve şeker formundaki enerjiye dönüştürmesini sağlar.

Fotosentez, Dünya’nın işleyişinin o kadar ayrılmaz bir parçasıdır ki, onu neredeyse hafife alıyoruz. Ancak keşfedilecek ve yerleşilecek yerler için kendi gezegenimizin ötesine baktığımızda, sürecin ne kadar nadir ve değerli olduğu açıktır.

Meslektaşlarım ve ben, yayınlanan yeni bir makalede araştırdığımız gibi Doğa İletişimiyapay fotosentez yapmadaki son gelişmeler, Dünya’dan uzakta hayatta kalmanın ve gelişmenin anahtarı olabilir.

İnsanın oksijene olan ihtiyacı uzay yolculuğunu zorlaştırıyor. Yakıt kısıtlamaları, özellikle aya ve Mars’a uzun mesafeli yolculuklar yapmak istiyorsak, yanımızda taşıyabileceğimiz oksijen miktarını sınırlar. Mars’a tek yönlü bir yolculuk genellikle iki yıl sürer, bu da Dünya’dan kolayca kaynak gönderemeyeceğimiz anlamına gelir.

Uluslararası Uzay İstasyonunda karbondioksiti geri dönüştürerek oksijen üretmenin yolları zaten var. ISS’nin oksijeninin çoğu, suyu ayırmak için istasyonun güneş panellerinden gelen elektriği kullanan “elektroliz” adı verilen bir süreçten geliyor. hidrojen gazı ve oksijen gazınaAyrıca astronotların soluduğu karbondioksiti su ve metana çeviren ayrı bir sisteme sahiptir.

Ancak bu teknolojiler güvenilmez, verimsiz, ağır ve bakımı zordur. Örneğin, oksijen üretim süreci, ISS’nin tüm sistemini desteklemek için gereken toplam enerjinin yaklaşık üçte birini gerektirir. “çevre kontrolü ve yaşam desteği”.

İleriye giden yollar

Bu nedenle Ay’da ve Mars gezilerinde kullanılabilecek alternatif sistemler arayışı devam etmektedir. Bir olasılık, (uzayda bol miktarda bulunan) güneş enerjisini toplamak ve onu doğrudan tek bir cihazda oksijen üretimi ve karbondioksit geri dönüşümü için kullanmaktır.

Böyle bir cihazdaki diğer tek girdi, doğada devam eden fotosentez işlemine benzer şekilde su olacaktır. Bu, ISS’de olduğu gibi, iki hafif hasat ve kimyasal üretim sürecinin ayrıldığı karmaşık kurulumları atlatacaktır.

Bu, uzay araştırmaları için iki temel kriter olan sistemin ağırlığını ve hacmini azaltabileceği için ilginçtir. Ama aynı zamanda daha verimli olacaktır.

Kimyasal reaksiyonları katalize etmek (ateşlemek) için doğrudan güneş enerjisini yakalama işlemi sırasında salınan ek termal (ısı) enerjiyi kullanabiliriz – böylece onları hızlandırabiliriz. Ayrıca, karmaşık kablolama ve bakım önemli ölçüde azaltılabilir.

ürettik teorik çerçeve Ay ve Mars’taki uygulamalar için bu tür entegre “yapay fotosentez” cihazlarının performansını analiz etmek ve tahmin etmek.

Bu cihazlarda, bitkilerde ve alglerde ışığın emilmesinden sorumlu olan klorofil yerine, istenen kimyasal reaksiyonu destekleyen basit metalik katalizörlerle doğrudan kaplanabilen yarı iletken malzemeler kullanılır.

Analizimiz, bu cihazların gerçekten de ISS’de kullanılan oksijen jeneratörü düzeneği gibi mevcut yaşam destek teknolojilerini tamamlamak için uygun olacağını gösteriyor. Bu, özellikle reaksiyonlara güç sağlamak için güneş enerjisini yoğunlaştıran cihazlarla (esasen gelen güneş ışığını odaklayan büyük aynalar) birleştirildiğinde geçerlidir.

Başka yaklaşımlar da var. Örneğin, yapabiliriz Ay toprağından doğrudan oksijen üretmek(regolith). Ancak bunun çalışması için yüksek sıcaklıklar gerekir.

Yapay fotosentez cihazları ise oda sıcaklığında Mars ve Ay’da bulunan basınçlarda çalışabiliyor. Bu, doğrudan habitatlarda ve ana kaynak olarak su kullanılarak kullanılabilecekleri anlamına gelir.

Ay’da öngörülen buzlu su varlığı göz önüne alındığında, bu özellikle ilginçtir. Shackleton kraterigelecekteki ay görevlerinde beklenen bir iniş alanıdır.

Mars’ta atmosfer yaklaşık %96 oranında karbondioksitten oluşuyor ve görünüşe göre yapay bir fotosentez cihazı için ideal. Ancak kızıl gezegendeki ışık yoğunluğu, Güneş’ten daha büyük mesafe nedeniyle Dünya’dakinden daha zayıf.

Peki bu bir sorun teşkil eder mi? Aslında Mars’ta mevcut olan güneş ışığı yoğunluğunu hesapladık. Güneş aynaları daha da önemli hale gelse de, bu cihazları gerçekten orada kullanabileceğimizi gösterdik.

Oksijen ve diğer kimyasalların verimli ve güvenilir üretimi ve ayrıca uzay araçlarında ve habitatlarda karbondioksitin geri dönüşümü, uzun vadeli uzay görevleri için üstesinden gelmemiz gereken muazzam bir zorluktur.

Yüksek sıcaklıklarda çalışan mevcut elektroliz sistemleri, önemli miktarda enerji girişi gerektirir. Ve cihazlar için karbondioksiti oksijene dönüştürmek Mars’ta, fotosenteze dayalı olsun ya da olmasın, henüz emekleme çağındalar.

Dolayısıyla bu teknolojiyi uzayda kullanabilmek için birkaç yıllık yoğun araştırmalar gerekiyor. Doğanın fotosentezinden temel parçaları kopyalamak bize bazı avantajlar sağlayabilir ve çok da uzak olmayan bir gelecekte bunları gerçekleştirmemize yardımcı olabilir.

Geri dönüşler çok büyük olurdu. Örneğin, uzayda gerçekten yapay atmosferler yaratabilir ve gübre, polimer veya ilaç gibi uzun vadeli görevlerde ihtiyaç duyduğumuz kimyasalları üretebiliriz.

Ek olarak, bu cihazları tasarlayıp imal ederken edindiğimiz içgörüler, Dünya’daki yeşil enerji sorunuyla başa çıkmamıza yardımcı olabilir.

Oksijen üretmek için bitkilere ve alglere sahip olduğumuz için yeterince şanslıyız. Ancak yapay fotosentez cihazları, (şeker yerine) hidrojen veya karbon bazlı yakıtlar üretmek için kullanılabilir ve bu, depolayabileceğimiz ve ulaşımda kullanabileceğimiz enerji açısından zengin kimyasalların üretimi için yeşil bir yol açabilir.

Uzayın keşfi ve gelecekteki enerji ekonomimizin çok benzer uzun vadeli bir hedefi var: sürdürülebilirlik. Yapay fotosentez cihazları, bunu gerçekleştirmenin önemli bir parçası olabilir.

Bu makale şu adresten yeniden yayınlanmıştır: Konuşma Creative Commons lisansı altında. Okumak orijinal makale.