Wenn wir die künstliche Photosynthese perfektionieren können, können wir im Weltraum gedeihen

Bis 2030 werden viele Raumfahrtagenturen zum ersten Mal seit dem Ende des Apollo-Programms vor mehr als 50 Jahren Astronauten zum Mond schicken. Diese Programme werden eine dauerhafte Infrastruktur schaffen, wie z MondtorUnd Artemis-BasislagerMoon Village und die International Lunar Research Station (ILRS). Im nächsten Jahrzehnt werden voraussichtlich die ersten bemannten Missionen zum Mars stattfinden, deren Höhepunkt die Errichtung der ersten menschlichen Außenposten auf einem anderen Planeten sein wird. Kommerzielle Unternehmen wollen auch Lebensräume in der erdnahen Umlaufbahn (LEO) schaffen, die vom Asteroidenabbau bis zum Weltraumtourismus alles ermöglichen.

Eine der größten Herausforderungen in dieser neuen Ära der Weltraumforschung (Weltraumzeitalter 2.0) besteht darin, sicherzustellen, dass Menschen gesund bleiben, während sie längere Zeit im Weltraum verbringen. Dazu gehört vor allem die Sicherstellung, dass die Besatzungen über funktionierende Lebenserhaltungssysteme verfügen, die eine ständige Versorgung mit Atemluft gewährleisten können, was eigene technische Herausforderungen mit sich bringt. In einer aktuellen Studie hat ein Forscherteam unter der Leitung von Katharina Brinkert Aus der Höhle der University of Warwick künstliche Photosynthese Es könnte zu einer neuen Art von Lebenserhaltungssystem führen, das kleiner, leichter, einfacher und kostengünstiger in den Weltraum zu schicken ist.

Neben seiner Tätigkeit als Assistenzprofessor für Motivation an der University of Warwick (UoW), Großbritannien, ist Dr. Brinkert auch als Forscher tätig Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) an der Universität Bremen, Deutschland. Mach mit Byron Ross, ein Ph.D. Student bei Dr. Brinkerts Forschungsgruppe (die die Studie leitete) am Department of Chemistry der University of Washington, W Sophia HausnerEr ist außerordentlicher Professor an der Institut für Maschinenbau an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). Ein Artikel, der ihre neuesten Forschungsergebnisse beschreibt, erschien am 6. Juni in Naturkommunikation.

Vor fast 4 Milliarden Jahren waren Atmosphäre und Umwelt der Erde ganz anders als heute. Der als Archäisches Zeitalter bekannte Planet war von aktiven Vulkanen bedeckt und seine Atmosphäre bestand hauptsächlich aus Kohlendioxid (CO).₂) und Schwefeldioxid und andere vulkanische Gase. Es wird angenommen, dass im selben Zeitraum die ersten Lebensformen entstanden sind: einzellige Mikroben, die für die Photosynthese auf Retinol oder Chlorophyll angewiesen waren. Diese Lebensformen veränderten langsam die Atmosphäre und kombinierten Wasser, Sonnenlicht und Kohlendioxid₂ Zur Erzeugung von Glukose (einer Energiequelle) und Sauerstoffgas als Nebenprodukt.

Dies führte zuDas große Oxidationsereignisund die Entstehung komplexerer Lebensformen, die schließlich zum Menschen und zum Homo sapiens (auch bekannt als Menschheit) führen. Die Photosynthese für das Leben auf der Erde ist ein wesentlicher Bestandteil davon, und Wissenschaftler hoffen, den Prozess zu nutzen, um das Leben im Weltraum zu erleichtern. Internationale Raumstation (ISS), auf die Astronauten angewiesen sind Umweltkontrollsystem und Lebenserhaltung (ECLSS), um eine konstante Sauerstoffversorgung sicherzustellen. Dieses System basiert auf Elektrolyse, wobei Strom aus den Solarpaneelen der Station Wasser in Wasserstoff und Sauerstoffgas aufspaltet.

Währenddessen „reinigt“ ein separates System Kohlendioxid aus der Luft und wandelt es in Wasser und Methan um. Leider sind diese Systeme groß, sperrig, schwer zu warten, ineffizient und benötigen etwa ein Drittel der Energie, die für den Betrieb von ECLSS erforderlich ist. Das Auffüllen des Systems ist relativ einfach, da Missionen im erdnahen Orbit (LEO) innerhalb weniger Stunden wieder versorgt werden können. Aber für Missionen zum Mars, deren Transit sechs bis neun Monate und bis zu drei Jahre dauern kann, sind Nachschubmissionen nicht praktikabel. Wie Dr. Brinkert kürzlich in einem Kommentar mit sagte Gespräch:

Daher wird weiterhin nach alternativen Systemen gesucht, die auf dem Mond und bei Reisen zum Mars eingesetzt werden können. Eine Möglichkeit besteht darin, Sonnenenergie (die im Weltraum reichlich vorhanden ist) zu gewinnen und sie direkt zur Erzeugung von Sauerstoff und zur Wiederverwertung von Kohlendioxid in nur einem Gerät zu nutzen. Der einzige andere Input in ein solches Gerät ist Wasser – ähnlich dem Prozess der Photosynthese, der in der Natur abläuft. Dies würde komplexe Aufbauprozesse umgehen, bei denen Lichtgewinnung und chemische Produktion getrennt sind, wie es auf der Internationalen Raumstation der Fall ist.“

Anstelle von Chlorophyll, auf das Pflanzen und Algen angewiesen sind, um Sonnenlicht zu absorbieren, basiert ein Photovoltaiksystem (PEC) auf Halbleitermaterialien, die von Metallkatalysatoren umgeben sind, um Kohlendioxid und Wasser in Sauerstoffgas und Kraftstoffe auf Wasserstoff-/Kohlenstoffbasis umzuwandeln. Die zusätzliche Energie aus der Solarheizung kann genutzt werden, um das Wasser direkt zu katalysieren und den chemischen Prozess zu beschleunigen, wodurch weniger Strom benötigt wird. Dieses Lebenserhaltungssystem wird für Langstreckenmissionen äußerst nützlich sein, da es reduzierte Größe und Gewicht mit erhöhter Effizienz kombiniert.

Darüber hinaus lässt sich das System einfacher warten, da weniger komplexe Verkabelungen und mechanische Komponenten erforderlich sind. Um dieses Konzept zu testen, erstellten Dr. Brinkert und Kollegen einen theoretischen Rahmen zur Messung der Leistung von PEC im Vergleich zu herkömmlichem BLSS. Dazu gehörte eine effiziente solare Wasserspaltung, die verfügbare Sonnenenergie auf dem Mars (etwa die Hälfte dessen, was die Erde erhält) und die Reduzierung von Kohlendioxid in der Marsatmosphäre. Schließlich untersuchten sie, wie Solarkonzentratorgeräte PEC-Geräte unterstützen können und wie sie durch Vor-Ort-Ressourcennutzung (ISRU) hergestellt werden können. Blinkert sagte:

Auf dem Mars die Atmosphäre [is composed] Es enthält etwa 96 % Kohlendioxid – was ideal für ein künstliches Photosynthesegerät erscheint. Allerdings ist die Lichtintensität auf dem Roten Planeten aufgrund der größeren Entfernung von der Sonne schwächer als auf der Erde. Stellt das ein Problem dar? Wir haben bereits die Intensität des auf dem Mars verfügbaren Sonnenlichts berechnet. Wir haben gezeigt, dass wir diese Geräte dort tatsächlich einsetzen können, obwohl Solarspiegel immer wichtiger werden.

Unsere Analyse zeigt, dass diese Geräte tatsächlich als Ergänzung zu bestehenden Lebenserhaltungstechnologien geeignet sein werden, wie beispielsweise dem Sauerstoffgeneratorsatz, der auf der Internationalen Raumstation verwendet wird. Dies ist insbesondere in Kombination mit Geräten der Fall, die Sonnenenergie konzentrieren, um Reaktionen anzutreiben (hauptsächlich große Spiegel, die einfallendes Sonnenlicht bündeln).

Dieses vorgeschlagene System bietet mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Elektrolyseuren, die bei hohen Temperaturen arbeiten und viel Strom benötigen. Während die NASA eine Technologie untersucht, mit der Sauerstoff direkt aus dem Mondregolith gewonnen werden kann, erfordert diese Methode sehr hohe Temperaturen, um elementaren Sauerstoff in Sauerstoffgas (O2) umzuwandeln. Andererseits können PECs bei Raumtemperatur in den Lebensräumen des Mars und des Mondes betrieben werden und dabei Wasser als Hauptressource nutzen. Die Fülle an Wassereis auf dem Mars und in seinem Krater Antarktis-Aitken-Becken macht diese Methode besonders attraktiv.

Die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen und erfordert noch mehrere Jahre zusätzlicher Forschung, sagt Blinkert. Aber die potenziellen Erträge wären enorm, von leichten Lebenserhaltungssystemen für Langzeitmissionen bis hin zu künstlichen Atmosphären für Lebensräume in erdnahen Umlaufbahnen, auf dem Mond und auf dem Mars. Aber die Vorteile gehen natürlich über die Weltraumforschung hinaus und könnten auch hier zu Hause Anwendung finden. Blinkert sagte:

„[T]Die Erkenntnisse, die wir aus der Entwicklung und Herstellung dieser Geräte gewinnen, können uns dabei helfen, die Herausforderung grüner Energie auf der Erde zu meistern. Wir haben das Glück, sauerstoffproduzierende Pflanzen und Algen zu haben. Aber künstliche Photosynthesegeräte können zur Herstellung von Wasserstoff oder kohlenstoffbasierten Kraftstoffen (anstelle von Zucker) verwendet werden, was einen umweltfreundlichen Weg zur Herstellung energiereicher Chemikalien eröffnet, die wir speichern und für den Transport nutzen können. Die Erforschung des Weltraums und unsere zukünftige Energiewirtschaft haben ein sehr ähnliches, weitreichendes Ziel: Nachhaltigkeit. Künstliche Photosynthesegeräte könnten eine Schlüsselrolle bei der Verwirklichung dieses Ziels spielen.“

Diese Forschung spiegelt ähnliche Bemühungen wider, Lebenserhaltungssysteme zu entwickeln, die biologische Systeme hier auf der Erde nachahmen. Dies wurde vorgeschlagen lebenswichtige Lebenserhaltungssysteme BLSS kann sich im Laufe der Zeit selbst regenerieren und so auf nachhaltige Weise Sauerstoff, Wasser und sogar Nahrung bereitstellen. Die Entwicklung dieser Technologie wird die Zukunft der Menschheit im Weltraum sichern, ein nachhaltigeres Leben hier auf der Erde ermöglichen und dazu beitragen, die Auswirkungen des Klimawandels abzumildern.

Weiterführende Literatur: GesprächUnd Naturkommunikation