Sử dụng vi khuẩn để tạo nhiên liệu sinh học cho tên lửa trên sao Hỏa

Cơ sở thám hiểm sao Hỏa

Một nghiên cứu mới phác thảo quy trình công nghệ sinh học để sản xuất nhiên liệu tên lửa trên hành tinh đỏ.

Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Georgia đã phát triển một khái niệm có thể làm nhiên liệu cho tên lửa sao Hỏa, trên Sao Hoả, có thể được sử dụng để phóng các phi hành gia trong tương lai trở lại Trái đất.

Quá trình sản xuất sinh học sẽ sử dụng ba nguồn tài nguyên có nguồn gốc từ hành tinh đỏ: carbon dioxide, ánh sáng mặt trời và nước đóng băng. Nó cũng sẽ bao gồm việc vận chuyển hai vi khuẩn lên sao Hỏa. Đầu tiên là vi khuẩn lam (tảo), chúng sẽ lấy CO2 từ khí quyển sao Hỏa và sử dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra đường. Một vi khuẩn E. coli đã được thiết kế, sẽ được vận chuyển từ Trái đất, sẽ chuyển đổi những loại đường đó thành một chất đẩy dành riêng cho sao Hỏa cho tên lửa và các thiết bị đẩy khác. Chất đẩy trên sao Hỏa, được gọi là 2,3-butanediol, hiện đang tồn tại, có thể được tạo ra bởi E. coli, và trên Trái đất, được sử dụng để tạo ra polyme để sản xuất cao su.

Quá trình này được nêu trong một bài báo, “Thiết kế sản xuất sinh học của tên lửa đẩy trên sao Hỏa thông qua chiến lược sử dụng tài nguyên tại chỗ được hỗ trợ công nghệ sinh học”, được xuất bản trên tạp chí Nature Communications.

Mastcam-Z Xem 'Santa Cruz' trên sao Hỏa

Một bức ảnh về Miệng núi lửa Jezero trên Sao Hỏa, được chụp bởi tàu thăm dò Sao Hỏa Kiên trì của NASA. Nhà cung cấp hình ảnh: NASA / JPL-Caltech / ASU / MSSS

Các động cơ tên lửa khởi hành từ sao Hỏa hiện đang được lên kế hoạch sử dụng nhiên liệu khí mêtan và oxy lỏng (LOX). Cả hai đều không tồn tại trên hành tinh đỏ, có nghĩa là chúng sẽ cần được vận chuyển từ Trái đất để cung cấp năng lượng cho một tàu vũ trụ quay trở lại quỹ đạo sao Hỏa. Việc vận chuyển đó rất tốn kém: vận chuyển 30 tấn khí mê-tan cần thiết và LOX ước tính trị giá khoảng 8 tỷ đô la. Để giảm chi phí này, NASA đã đề xuất sử dụng xúc tác hóa học để chuyển đổi carbon dioxide trên sao Hỏa thành LOX, mặc dù điều này vẫn yêu cầu methane được vận chuyển từ Trái đất.

Để thay thế, các nhà nghiên cứu Georgia Tech đề xuất một chiến lược công nghệ sinh học dựa trên sử dụng tài nguyên tại chỗ (ISRU sinh học) có thể sản xuất cả chất đẩy và LOX từ CO2. Các nhà nghiên cứu cho biết việc chế tạo thuốc phóng trên sao Hỏa bằng cách sử dụng các nguồn tài nguyên của sao Hỏa có thể giúp giảm chi phí sứ mệnh. Ngoài ra, quy trình ISRU sinh học tạo ra 44 tấn oxy sạch dư thừa có thể được dành để sử dụng cho các mục đích khác, chẳng hạn như hỗ trợ quá trình thực dân hóa của con người.

Pamela Peralta-Yahya

“Bạn cần ít năng lượng hơn rất nhiều để cất cánh trên sao Hỏa, điều này cho phép chúng tôi linh hoạt trong việc xem xét các hóa chất khác nhau không được thiết kế để phóng tên lửa trên Trái đất.” – Pamela Peralta-Yahya. Tín dụng: Georgia Tech

“Carbon dioxide là một trong những tài nguyên duy nhất có trên sao Hỏa. Nick Kruyer, tác giả đầu tiên của nghiên cứu và là Tiến sĩ gần đây, cho biết sinh học đặc biệt tốt trong việc chuyển đổi CO2 thành các sản phẩm hữu ích nên nó rất phù hợp để tạo ra nhiên liệu tên lửa. người nhận từ Trường Kỹ thuật Hóa học và Phân tử Sinh học Georgia Tech (ChBE).

Bài báo phác thảo quá trình này, bắt đầu bằng việc vận chuyển các vật liệu nhựa lên sao Hỏa sẽ được lắp ráp thành các máy phản ứng quang học có kích thước bằng bốn sân bóng đá. Vi khuẩn lam sẽ phát triển trong các lò phản ứng thông qua quá trình quang hợp (cần carbon dioxide). Các enzym trong một lò phản ứng riêng biệt sẽ phân hủy vi khuẩn lam thành đường, có thể được cung cấp cho vi khuẩn E. coli để sản xuất thuốc phóng tên lửa. Chất đẩy sẽ được tách khỏi môi trường lên men E. coli bằng các phương pháp tách tiên tiến.

Nghiên cứu của nhóm phát hiện ra rằng chiến lược ISRU sinh học sử dụng ít năng lượng hơn 32% (nhưng nặng gấp ba lần) so với chiến lược được đề xuất về mặt hóa học là vận chuyển khí mê-tan từ Trái đất và sản xuất oxy thông qua xúc tác hóa học.

Bởi vì lực hấp dẫn trên sao Hỏa chỉ bằng một phần ba so với lực hấp dẫn trên Trái đất, các nhà nghiên cứu có thể sáng tạo khi họ nghĩ về các loại nhiên liệu tiềm năng.

Photobioreactors Mars

Photobioreactors có kích thước bằng bốn sân bóng đá, được bao phủ bởi vi khuẩn lam, có thể tạo ra nhiên liệu tên lửa trên sao Hỏa. Tín dụng: Nghiên cứu trên điện thoại di động BOKO

Pamela Peralta-Yahya, một tác giả tương ứng của nghiên cứu và một cộng sự cho biết: “Bạn cần ít năng lượng hơn rất nhiều cho việc cất cánh trên sao Hỏa, điều này đã cho chúng tôi sự linh hoạt để xem xét các hóa chất khác nhau không được thiết kế để phóng tên lửa trên Trái đất”. giáo sư tại Trường Hóa học & Hóa sinh và ChBE, người kỹ sư vi sinh vật để sản xuất hóa chất. “Chúng tôi bắt đầu xem xét các cách để tận dụng lực hấp dẫn thấp hơn và thiếu oxy của hành tinh để tạo ra các giải pháp không liên quan đến các vụ phóng trên Trái đất”.

“2,3-butanediol đã xuất hiện từ lâu, nhưng chúng tôi chưa bao giờ nghĩ đến việc sử dụng nó làm chất đẩy. Sau khi phân tích và nghiên cứu thử nghiệm sơ bộ, chúng tôi nhận ra rằng nó thực sự là một ứng cử viên sáng giá ”, Wenting Sun, phó giáo sư tại Trường Kỹ thuật Hàng không Vũ trụ Daniel Guggenheim, người làm việc về nhiên liệu cho biết.

Nhóm Công nghệ Georgia trải dài trong khuôn viên trường. Các nhà hóa học, kỹ sư hóa học, cơ khí và hàng không vũ trụ đã cùng nhau phát triển ý tưởng và quy trình để tạo ra một loại nhiên liệu sống trên sao Hỏa. Ngoài Kruyer, Peralta-Yahya và Sun, nhóm bao gồm Caroline Genzale, một chuyên gia đốt cháy và phó giáo sư tại Trường Kỹ thuật Cơ khí George W. Woodruff, và Matthew Realff, giáo sư và David Wang Sr. thành viên tại ChBE, người là một chuyên gia trong quá trình tổng hợp và thiết kế.

Caroline Genzale, Matthew Realff và Wenting Sun

Caroline Genzale, Matthew Realff và Wenting Sun. Tín dụng: Georgia Tech

Nhóm nghiên cứu hiện đang tìm cách thực hiện tối ưu hóa vật liệu và sinh học được xác định để giảm trọng lượng của quy trình ISRU sinh học và làm cho nó nhẹ hơn quy trình hóa học được đề xuất. Ví dụ, cải thiện tốc độ vi khuẩn lam phát triển trên sao Hỏa sẽ làm giảm kích thước của máy phản ứng quang sinh, giảm đáng kể trọng tải cần thiết để vận chuyển thiết bị từ Trái đất.

Realff, người làm công việc phân tích quy trình dựa trên tảo cho biết: “Chúng tôi cũng cần thực hiện các thí nghiệm để chứng minh rằng vi khuẩn lam có thể phát triển trong điều kiện sao Hỏa. “Chúng ta cần xem xét sự khác biệt trong quang phổ mặt trời trên sao Hỏa do khoảng cách từ Mặt trời và sự thiếu lọc khí quyển của ánh sáng mặt trời. Mức cực tím cao có thể làm hỏng vi khuẩn lam. “

Nhóm Georgia Tech nhấn mạnh rằng việc thừa nhận sự khác biệt giữa hai hành tinh là điều then chốt để phát triển các công nghệ hiệu quả để sản xuất nhiên liệu, thực phẩm và hóa chất ISRU trên sao Hỏa. Đó là lý do tại sao họ giải quyết những thách thức về sinh học và vật liệu trong nghiên cứu nhằm nỗ lực đóng góp vào mục tiêu về sự hiện diện của con người trong tương lai bên ngoài Trái đất.

“Phòng thí nghiệm Peralta-Yahya xuất sắc trong việc tìm kiếm các ứng dụng mới và thú vị cho sinh học tổng hợp và công nghệ sinh học, giải quyết các vấn đề thú vị về tính bền vững,” Kruyer nói thêm. “Ứng dụng công nghệ sinh học trên sao Hỏa là một cách hoàn hảo để tận dụng các nguồn tài nguyên sẵn có hạn chế với nguyên liệu ban đầu tối thiểu”.

Tham khảo: “Thiết kế sản xuất sinh học tên lửa đẩy sao Hỏa thông qua chiến lược sử dụng tài nguyên tại chỗ được kích hoạt bằng công nghệ sinh học” của Nicholas S. Kruyer, Matthew J. Realff, Wenting Sun, Caroline L. Genzale và Pamela Peralta-Yahya, ngày 25 tháng 10 năm 2021, Nature Communications.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26393-7

Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Giải thưởng Các khái niệm tiên tiến sáng tạo của NASA (NIAC).

Bạn cũng có thể thích

Menu