在火星上制造火星火箭生物燃料


四个足球场大小的光生物反应器,覆盖着蓝藻细菌,可以在火星上生产火箭燃料。CREDIT BOKO mobile研究

佐治亚理工学院的研究人员开发了一个概念,在火星上制造火星火箭燃料,可以用来将未来的宇航员送回地球。

生物生产过程将使用这颗红色星球的三种原生资源:二氧化碳、阳光和冷冻水。它还将包括将两种微生物运送到火星。第一个是蓝藻,蓝藻可以从火星大气中吸收二氧化碳,并利用阳光制造糖类。一种从地球运来的工程大肠杆菌,将这些糖转化为火星特有的火箭和其他推进装置的推进剂。火星上目前存在的推进剂叫做2,3-丁二醇,它可以由大肠杆菌产生,在地球上被用来制造用于生产橡胶的聚合物。

这一过程在一篇论文中有概述,”通过生物技术实现的原地资源利用策略设计火星火箭推进剂的生物生产发表在《自然通讯》杂志上。

从火星出发的火箭发动机目前计划以甲烷和液态氧(LOX)为燃料。这两颗行星在火星上都不存在,这意味着它们需要从地球运到火星,以驱动返回火星的航天器进入火星轨道。这种运输是昂贵的:运送所需的30吨甲烷和液态氧估计要花费大约80亿美元。为了降低成本,NASA提议使用化学催化将火星上的二氧化碳转化为LOX,尽管这仍然需要从地球上运输甲烷。

作为替代方案,佐治亚理工学院的研究人员提出了一种基于生物技术的就地资源利用(bio-ISRU)策略,可以从二氧化碳中生产推进剂和LOX。研究人员表示,在火星上使用火星资源制造推进剂可以帮助降低任务成本。此外,生物isru过程产生44吨多余的清洁氧气,这些氧气可以用于其他用途,比如支持人类定居。

“二氧化碳是火星上仅有的资源之一。该研究的第一作者、佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院(ChBE)最近获得博士学位的尼克·克鲁耶(Nick Kruyer)说。

这篇论文概述了整个过程,首先将塑料材料运送到火星,然后组装成占据四个足球场大小的光生物反应器。蓝藻细菌会通过光合作用(这需要二氧化碳)在反应器中生长。在一个单独的反应器中,酶将蓝藻细菌分解成糖,糖可以喂给大肠杆菌来制造火箭推进剂。推进剂将使用先进的分离方法从大肠杆菌发酵液中分离出来。

该团队的研究发现,与从地球运输甲烷并通过化学催化产生氧气的化学方法相比,生物isru策略节省了32%的电力(但重量增加了三倍)。

由于火星上的重力只有地球上的三分之一,研究人员在考虑潜在燃料时能够发挥创造性。

“在火星上发射需要的能量要少得多,这让我们可以灵活地考虑不同的化学物质,而这些化学物质不是为在地球上发射火箭而设计的,”帕梅拉·佩拉尔塔-叶海亚(Pamela Peralta-Yahya)说。她是该研究的通讯作者之一,也是化学与生物化学学院(School of Chemistry & Biochemistry)和化学工程学院(ChBE)的副教授。“我们开始考虑如何利用地球较低的重力和缺氧的优势,创造与地球发射无关的解决方案。”

“2,3-丁二醇已经存在很长时间了,但我们从未想过用它作为推进剂。在分析和初步实验研究后,我们意识到它实际上是一个很好的候选,”丹尼尔·古根海姆航空航天工程学院研究燃料的副教授孙文婷(音)说。

佐治亚理工学院的队伍遍布校园。化学家、化学工程师、机械工程师和航空工程师一起开发出了一种可行的火星燃料的想法和过程。除了Kruyer、Peralta-Yahya和Sun,该小组还包括燃烧专家、乔治W. Woodruff机械工程学院副教授Caroline Genzale,以及过程合成和设计专家、ChBE教授和王大卫资深研究员Matthew Realff。

该团队现在正在寻找进行生物和材料优化,以减少生物- isru过程的重量,使其比拟议的化学过程更轻。例如,提高蓝藻在火星上的生长速度将会减小光生物反应器的尺寸,显著降低从地球运输设备所需的有效载荷。

“我们还需要进行实验,证明蓝藻细菌可以在火星条件下生长,”Realff说,他从事基于藻类的过程分析工作。“我们需要考虑火星上太阳光谱的差异,这既是由于距离太阳的距离,也是由于大气对阳光的过滤不足。高紫外线水平会损害蓝藻细菌。”

佐治亚理工学院的研究小组强调,承认这两个行星之间的差异对于ISRU开发在火星上生产燃料、食品和化学品的有效技术至关重要。这就是为什么他们要在这项研究中解决生物和材料方面的挑战,努力为未来人类在地球之外存在的目标做出贡献。

Kruyer补充说:“Peralta-Yahya实验室擅长于为合成生物学和生物技术找到新的和令人兴奋的应用,解决可持续发展方面令人兴奋的问题。”“在火星上应用生物技术是利用有限的可用资源和最低限度的起始材料的完美方式。”

这项研究得到了NASA创新先进概念奖(NIAC)的支持。

引用:Kruyer等。《通过生物技术实现的原地资源利用策略设计火星火箭推进剂的生物生产》,《自然通讯》。10.1038/s41467-021-26393-7。

关于佐治亚理工学院

佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology,简称Georgia Tech)是排名前10的公立研究型大学,培养的是推动科技进步和改善人类状况的领导者。该学院提供商业、计算机、设计、工程、人文和科学学位。来自50个州和149个国家的近4万名学生在亚特兰大的主校区、法国和中国的校区、以及通过远程和在线学习学习。作为一所领先的科技大学,佐治亚理工学院是佐治亚、东南部和全国经济发展的引擎,每年为政府、工业和社会进行超过10亿美元的研究。

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