Usare i microbi per produrre biocarburante per un razzo su Marte

Un nuovo studio delinea un processo biotecnologico per la produzione di carburante per missili sul Pianeta Rosso.

I ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno sviluppato un concetto che potrebbe produrre carburante per i razzi su Marte MartePotrebbe essere usato per riportare i futuri astronauti sulla Terra.

Il processo di bioproduzione utilizzerà tre risorse originarie del Pianeta Rosso: anidride carbonica, luce solare e acqua ghiacciata. Implica anche il trasporto di due microbi su Marte. Il primo sono i cianobatteri (alghe), che assorbiranno l’anidride carbonica dall’atmosfera marziana e utilizzeranno la luce solare per produrre zuccheri. Un Escherichia coli modificato, che verrà spedito dalla Terra, trasformerà quegli zuccheri in un propellente specifico per Marte per razzi e altri propulsori. Attualmente esiste un propellente di Marte, chiamato 2,3-butandiolo, che può essere creato da Escherichia coli e viene utilizzato sulla Terra per produrre polimeri per la produzione di gomma.

Il processo è delineato in un documento intitolato “Progettare la bio-produzione della propulsione a razzo di Marte tramite una strategia di utilizzo delle risorse in loco supportata dalla biotecnologia”, pubblicato sulla rivista Connessioni con la natura.

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Un’immagine del Jezero Crater di Marte, scattata dal rover Perseverance Mars della NASA. Credito: NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS

I motori a razzo in partenza da Marte sono attualmente pianificati per fornire metano e ossigeno liquido (LOX). Nessuno di loro si trova sul Pianeta Rosso, il che significa che devono essere trasportati dalla Terra per alimentare una navicella spaziale nell’orbita di Marte. Questo trasporto è costoso: il costo del trasporto di 30 tonnellate di metano e LOX è stimato in circa 8 miliardi di dollari. Per ridurre questo costo, NASA Ha proposto l’uso della catalisi chimica per convertire la CO2 marziana in LOX, sebbene ciò richiedesse ancora il trasporto di metano dalla Terra.

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In alternativa, i ricercatori della Georgia Tech propongono una strategia di utilizzo delle risorse in situ (bio-ISRU) basata sulla biotecnologia che può produrre sia movente che LOX dalla CO2. I ricercatori affermano che produrre carburante su Marte utilizzando le risorse marziane potrebbe aiutare a ridurre il costo della missione. Inoltre, il bioprocesso ISRU genera 44 tonnellate di ossigeno pulito in eccesso che può essere dedicato ad altri scopi, come sostenere la colonizzazione umana.

Pamela Peralta Yahya

“Richiede molta meno energia per il lancio su Marte, il che ci ha dato la flessibilità di esaminare diverse sostanze chimiche che non sono progettate per lanciare razzi sulla Terra”. -Pamela Peralta Yahya. Credito: Georgia Tech

L’anidride carbonica è una delle poche risorse disponibili su Marte. È titolare della Georgia Tech School of Chemical and Biomolecular Engineering (ChBE), ha affermato Nick Kreuer, primo autore dello studio e un recente dottorato di ricerca.

Il documento delinea il processo, che inizia con il trasporto della plastica su Marte che verrà assemblata in bioreattori fotovoltaici delle dimensioni di quattro campi da calcio. I cianobatteri cresceranno nei reattori tramite la fotosintesi (che richiede anidride carbonica). Gli enzimi in un reattore separato scompongono i cianobatteri in zuccheri, che possono essere alimentati a Escherichia coli per produrre un propellente per razzi. Il propellente sarà separato dal brodo di fermentazione di Escherichia coli utilizzando metodi di separazione avanzati.

La ricerca del team ha scoperto che la bio-strategia ISRU utilizza il 32% in meno di energia (ma pesa tre volte di più) rispetto a una strategia chimicamente abilitata per caricare metano dalla Terra e produrre ossigeno tramite catalisi chimica.

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Poiché la gravità su Marte è solo un terzo di ciò che si sente sulla Terra, i ricercatori sono stati in grado di essere creativi quando hanno pensato ai potenziali combustibili.

Fotobioreattori Mars

Fotobioreattori delle dimensioni di quattro campi da calcio, ricoperti di cianobatteri, potrebbero produrre carburante per missili su Marte. credito: BOKO . mobile study

ha affermato Pamela Peralta Yahya, autrice dello studio e professore associato presso il College of Chemistry and Biochemistry e ChBE, che progetta i microbi per produrre sostanze chimiche. “Stiamo iniziando a pensare a modi per sfruttare la bassa gravità del pianeta e la mancanza di ossigeno per trovare soluzioni che non siano adatte per i lanci sulla Terra”.

“Il 2,3-butandiolo è in circolazione da molto tempo, ma non abbiamo mai pensato di usarlo come propellente. Dopo l’analisi e uno studio pilota iniziale, ci siamo resi conto che era davvero un buon candidato”, ha affermato Wenting Sun, professore associato alla Daniel Guggenheim School of Aerospace Engineering che si occupa del carburante. .

Il team della Georgia Tech copre il campus. Chimici, ingegneri chimici, meccanici e aerospaziali si sono riuniti per sviluppare l’idea e il processo per creare un combustibile marziano praticabile. Oltre a Kruyer, Peralta-Yahya e Sun, il gruppo includeva Caroline Genzale, esperta di combustione e professore associato presso la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, e Matthew Relf, ​​professore e David Wang Sr. Fellow presso ChBE, esperto nel processo di sintesi e progettazione.

Caroline Genzal, Matthew Relf e il sole vincente

Caroline Genzal, Matthew Relf e The Wintering Sun. Credito: Georgia Tech

Il team è ora in attesa della procedura di ottimizzazione biologica e del materiale identificato per ridurre il peso del bioprocesso ISRU e renderlo più leggero del processo chimico proposto. Ad esempio, il miglioramento della velocità con cui i cianobatteri crescono su Marte ridurrà le dimensioni del fotobioreattore, riducendo significativamente il tonnellaggio necessario per trasportare le apparecchiature dalla Terra.

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“Dobbiamo anche fare esperimenti per dimostrare che i cianobatteri possono crescere in condizioni marziane”, ha detto Relf, ​​che lavora all’analisi dei processi basati sulle alghe. “Dobbiamo considerare la differenza nello spettro solare su Marte dovuta alla distanza dal sole e alla mancanza di filtraggio atmosferico della luce solare. Alti livelli di radiazioni ultraviolette possono danneggiare i cianobatteri”.

Il team di Georgia Tech sottolinea che riconoscere le differenze tra i due pianeti è fondamentale per lo sviluppo di tecnologie efficienti per la produzione di combustibili, cibo e prodotti chimici dell’ISRU su Marte. Ecco perché stanno affrontando le sfide e i materiali biologici nello studio nel tentativo di contribuire all’obiettivo di una futura esistenza umana oltre la Terra.

“Il laboratorio di Peralta Yahya eccelle nel trovare nuove entusiasmanti applicazioni per la biologia sintetica e la biotecnologia e nell’affrontare problemi entusiasmanti nella sostenibilità”, ha aggiunto Kreuer. “Applicare la biotecnologia su Marte è un modo ideale per sfruttare le limitate risorse disponibili con il minimo di materie prime”.

Riferimento: “Progettare la bioproduzione di propellenti per razzi marziani tramite una strategia di utilizzo delle risorse in loco abilitata alla biotecnologia” di Nicholas S. Croyer e Matthew J. Connessioni con la natura.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26393-7

La ricerca è stata supportata dall’Innovative Advanced Concepts Award (NIAC) della NASA.

Elma Zito

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