Искусственный фотосинтез может стать секретом колонизации космоса

Жизнь на Земле обязана своим существованием фотосинтезу – процессу, которому 2,3 миллиарда лет. Эта чрезвычайно интересная (и до сих пор не до конца понятная) реакция позволяет растениям и другим организмам собирать солнечный свет, воду и углекислый газ, превращая их в кислород и энергию в форме сахара.

Фотосинтез является настолько неотъемлемой частью функционирования Земли, что мы воспринимаем его как нечто само собой разумеющееся. Но когда мы ищем места, которые можно исследовать и обосноваться за пределами нашей планеты, становится очевидным, насколько редким и ценным является этот процесс.

Как мы с коллегами исследовали в новой статье, опубликованной в журнале Nature Communications, недавние достижения в области искусственного фотосинтеза вполне могут стать ключом к выживанию и процветанию вдали от Земли.

Потребность человека в кислороде затрудняет космические путешествия. Ограничения на топливо ограничивают количество кислорода, которое мы можем взять с собой, особенно если мы хотим совершить дальние путешествия на Луну и Марс. Путешествие на Марс в один конец обычно занимает порядка двух лет, а это означает, что мы не можем легко отправлять запасы ресурсов с Земли.

Уже существуют способы производства кислорода путем переработки углекислого газа на Международной космической станции. Большая часть кислорода на МКС поступает в результате процесса, называемого «электролизом», при котором используется электричество от солнечных батарей станции для разделения воды на газообразный водород и газообразный кислород, которыми вдыхают астронавты.

У него также есть отдельная система, преобразующая углекислый газ, который выдыхают астронавты, в воду и метан.

Но эти технологии ненадежны, неэффективны, тяжелы и сложны в обслуживании. Например, процесс генерации кислорода требует около трети всей энергии, необходимой для работы всей системы МКС, поддерживающей «экологический контроль и жизнеобеспечение».

Поэтому поиск альтернативных систем, которые можно было бы использовать на Луне и в полетах на Марс, продолжается. Одна из возможностей — собирать солнечную энергию (которой много в космосе) и напрямую использовать ее для производства кислорода и переработки углекислого газа только в одном устройстве.

Единственным другим входным фактором в таком устройстве будет вода – аналогично процессу фотосинтеза, происходящему в природе. Это позволило бы обойти сложные схемы, в которых два процесса сбора света и химического производства разделены, как, например, на МКС.

Это интересно, поскольку может уменьшить вес и объем системы — два ключевых критерия освоения космоса. Но это также было бы более эффективно.

Мы могли бы использовать дополнительную тепловую (тепловую) энергию, выделяющуюся в процессе улавливания солнечной энергии, непосредственно для катализа (зажигания) химических реакций, тем самым ускоряя их. Кроме того, можно значительно сократить сложную проводку и техническое обслуживание.

Мы 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, на которые можно непосредственно нанести простые металлические катализаторы, поддерживающие желаемую химическую реакцию.

Наш анализ показывает, что эти устройства действительно могут дополнить существующие технологии жизнеобеспечения, такие как генератор кислорода, используемый на МКС. Это особенно актуально в сочетании с устройствами, которые концентрируют солнечную энергию для обеспечения реакции (по сути, это большие зеркала, фокусирующие падающий солнечный свет).

Есть и другие подходы. Например, мы можем производить кислород непосредственно из лунного грунта (реголита). Но для этого необходимы высокие температуры.

С другой стороны, устройства искусственного фотосинтеза могут работать при комнатной температуре и давлениях, присущих Марсу и Луне. Это означает, что их можно использовать непосредственно в местах обитания, используя воду в качестве основного ресурса.

Это особенно интересно, учитывая предполагаемое наличие ледяной воды в лунном кратере Шеклтон, который, как ожидается, станет местом посадки в будущих лунных миссиях.