Если бы в один прекрасный день люди добрались до Марса, то одна из проблем, которую нам нужно было бы решить задолго до этого, — это как производить такие товары первой необходимости, как топливо и медикаменты, не доставляя их туда самим. Один из способов сделать это — собрать углекислый газ из марсианской атмосферы и превратить его в универсальные строительные блоки для органических соединений. Ученые из Калифорнийского университета в Беркли разработали реактор, который может сделать именно это, используя смесь бактерий и лес нанопроволок, чтобы сделать эти преобразования с рекордной эффективностью.
Реактор команды работает на аналогичной предпосылке к естественному процессу фотосинтеза, когда растения используют солнечный свет для преобразования углекислого газа в сахара, которые они могут использовать для получения энергии. Система также заимствует немного от природы, полагаясь на воду и бактерии Sporomusa ovata, упакованные среди леса нанопроволок, чтобы управлять преобразованиями.
Эти кремниевые нанопроволоки составляют одну сотую толщины человеческого волоса и действуют как солнечный коллектор системы. Поглощая свет, генерируя электроны и передавая их живущим среди них бактериям, нанопроволоки питают химический процесс, в результате которого бактерии превращают углекислый газ и воду в ацетат и кислород.
«Эти кремниевые нанопроволоки по своей сути похожи на антенну», — говорит руководитель проекта Пейдонг Янг. «Они захватывают солнечный фотон, как солнечная панель. Внутри этих кремниевых нанопроволок они будут генерировать электроны и подавать их этим бактериям». Затем бактерии поглощают CO2, делают химию и выплевывают ацетат».
На Марсе молекулы ацетата могут выступать в качестве строительных блоков для производства органических молекул для производства топлива, пластика или лекарств. Кислород, который высвобождается, тем временем, может быть использован, чтобы помочь поселенцам сохранить свои искусственные атмосферы на уровне земного 21-процентного кислорода.
Команда фактически раскрыла первую версию своего биогибридного реактора пять лет назад, которая предлагала эффективность преобразования солнечной энергии около 0,4 процентов. Это было на одном уровне со многими заводами, но команда стремилась повысить производительность так, чтобы она конкурировала с лучшими характеристиками, которые может предложить природа, а именно сахарным тростником с эффективностью преобразования от четырех до пяти процентов.
С тех пор они внесли изменения в систему, которая помогла поддерживать кислотность воды в реакторе, что остановило бактерии от отделения от нанопроводов, поскольку pH окружающей воды увеличился и позволил большему количеству бактерий быть упакованными в лес. В то время как нынешний прототип системы требует наличия внешней солнечной панели для обеспечения ее энергией, это позволило команде повысить производительность системы до рекордной 3,6-процентной эффективности преобразования.
Ученые говорят, что реальная версия, однако, будет иметь кремниевые нанопроволоки в качестве солнечных панелей. В настоящее время они работают над дальнейшим повышением эффективности системы и изучают, как генетически модифицированные бактерии могут быть использованы для производства более широкого спектра органических соединений.
«На Марсе около 96 процентов атмосферы составляет CO2», — говорит лидер проекта Пейдонг Янг. «По сути, все, что вам нужно, — это кремниевые полупроводниковые нанопроволоки, которые поглощают солнечную энергию и передают ее этим жучкам, чтобы сделать химию для вас. В дальнем космическом полете вы заботитесь о весе полезного груза, и у биологических систем есть то преимущество, что они самовоспроизводятся: вам не нужно много посылать. Вот почему наша биогибридная версия очень привлекательна».
Янг также работает над подобными системами, которые вместо этого использовали бы солнечный свет и CO2 для производства сахаров и углеводов, которые потенциально могли бы использоваться колонистами Марса для еды. И в дополнение к потенциалу для такой технологии на Марсе, технология биогибридных реакторов могла бы также использоваться здесь на Земле, чтобы помочь бороться с изменением климата, производя органические соединения, вытягивая CO2 из атмосферы.
Команда опубликовала свои исследования в журнале .