微生物可能使火星上更容易生产火箭燃料

新的研究详细介绍了在火星上生产火箭燃料的生物解决方案,但要使这个有趣的想法成为现实,还需要克服重大障碍。

NASA计划在下一个十年访问火星,但仍在解决燃料问题;向火星发射火箭并不是问题所在——让运载工具离开火星表面返回地球才是一个挑战。生产所需的推进剂需要大量的甲烷和液氮,但这些火箭燃料的关键成分在火星上就像燃料精炼厂一样稀少。

发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的一项新研究估计,将所需的30吨甲烷和液氧运送到火星需要80亿美元。这还只是一次500吨有效载荷的发射!在NASA创新先进概念项目的财政支持下,这篇新论文的作者提出了一个非常不同的解决方案,即生产推进剂所需的关键成分可以直接在火星上采购。

这些成分包括二氧化碳、冷冻水和阳光。蓝藻,也被称为蓝绿藻,和一种生物工程大肠杆菌菌株将从地球带到火星,以及建造一个大型光生物反应器阵列所需的材料。尼克•Kruyer这项新研究的第一作者,乔治亚理工学院的研究员化学和生物分子工程,和他的同事列出了生产战略的蓝藻,由阳光和二氧化碳,生成糖,大肠杆菌转化为一种可行的推进剂。

这种名为2,3-丁二醇的火箭燃料并不是迄今为止发明的能量最大的推进剂,但研究人员认为,在火星上相对低重力的环境中,这种火箭燃料可以完成任务。作为一种化合物,2,3-丁二醇已经为人所知,因为它被用于生产橡胶,但科学家们直到现在才想到将其用作推进剂。

其他科学家认为,甲烷是唯一的解决方案,“因为它是一种高能燃料,可以从二氧化碳化学,这是火星上的丰富,”帕梅拉Peralta-Yahya,该研究的作者之一,学院的副教授乔治亚理工大学化学与生物化学,Gizmodo在一封电子邮件中说。“这篇论文的一个关键观点是,可以考虑使用更广泛的化学物质作为推进剂,因为火星的重力是地球的三分之一,所以你可以使用能量密度更低的火箭推进剂。”

运往火星的塑料材料将被组装成一个四个足球场大小的光生物反应器阵列。光合作用和二氧化碳可以促进蓝藻的生长,而单独的反应器中的酶可以将微生物分解成糖。正如克鲁耶在一份新闻稿中指出的,“生物尤其擅长将二氧化碳转化为有用的产品”,这使得它“非常适合制造火箭燃料”。根据这篇论文,在大肠杆菌阶段,推进剂从发酵液中分离出来将会得到95%的纯度。

火星火箭推进剂的生物生产所需的能量将比美国国家航空航天局提出的化学解决方案——也就是向火星运送大量甲烷的计划——少32%。它将产生44吨多余的清洁氧气,供宇航员充分利用。更重要的是,提议的化学溶液会产生一氧化碳作为副产品,“它需要被清除,”Peralta-Yahya说。“我们设想过水电解,但那种化学物质……战略的技术准备水平较低,”她补充说。

至于降低总体成本,这就不那么明显了,因为科学家们说,这种解决方案需要比拟议的化学策略高2.8倍的有效载荷质量。这是重要的。研究人员将需要减轻设备的重量,比如将光生物反应器的尺寸最小化。

Peralta-Yahya解释说,这篇新论文的一个“关键贡献”是“确定可达到的”优化解决方案,以减少有效载荷质量,同时比NASA的甲烷计划减少59%的电力。“这样的优化包括在低温下提高蓝藻细菌的生长速度,这将导致更小的蓝藻细菌农场,”她补充说。

佐治亚理工学院的工程师、该研究的合著者马修·勒夫(Matthew Realff)说,该团队需要进行实验,以证明蓝藻细菌确实可以在火星上生长。他在一封电子邮件中解释说,该团队需要“考虑火星上太阳光谱的差异,这是由于距离太阳的距离和大气对阳光的过滤不足造成的”,同时也要记住“高紫外线水平可能会损害蓝藻细菌”。

研究人员还需要警惕我们的微生物污染火星。安全地保存蓝细菌和大肠杆菌将是确保天体生物学家能够在不受地球生物干扰的情况下继续寻找火星上过去生命迹象的必要步骤。

美国宇航局目前的行星保护指南明确禁止将微生物送到另一颗行星的表面,但正如佩拉尔塔-叶海亚解释的那样,“生物技术在火星上的应用有可能比化学过程提供明显的优势。”为了保证他们的解决方案的安全性,该团队将开发和测试一系列遏制策略,如物理屏障、关闭开关和工程微生物无法在反应堆外生存。

科学家们对一个严重的问题提出了一个迷人的解决方案。是的,还有很多工作要做,但这是一个好的开始。火星可能是一个贫瘠的沙漠,但它并非完全没有资源。我们只需要想办法充分利用它们。

作者:是柚子呀,如若转载,请注明出处:https://eozlab.com/zirankexue/tianwen/1538.html