Життя на Землі завдячує своїм існуванням фотосинтезу – процесу, якому 2,3 мільярда років. Ця надзвичайно захоплююча (і досі не повністю зрозуміла) реакція дозволяє рослинам та іншим організмам збирати сонячне світло, воду та вуглекислий газ, перетворюючи їх на кисень та енергію у формі цукру.
Фотосинтез є настільки невід’ємною частиною функціонування Землі, що ми сприймаємо його як належне. Але коли ми дивимося за межі нашої власної планети в пошуки місць, які можна дослідити та оселитися, стає очевидним, наскільки рідкісним і цінним є цей процес.
Як ми з колегами досліджували в новій статті, опублікованій у Nature Communications, нещодавні досягнення у створенні штучного фотосинтезу цілком можуть бути ключовими для виживання та процвітання далеко від Землі.
Потреба людини в кисні робить космічні подорожі складними. Обмеження щодо палива обмежують кількість кисню, який ми можемо брати з собою, особливо якщо ми хочемо здійснити далекі подорожі на Місяць і Марс. Подорож на Марс в один бік зазвичай займає близько двох років, тобто ми не можемо легко відправити запаси ресурсів із Землі.
На Міжнародній космічній станції вже існують способи виробництва кисню шляхом переробки вуглекислого газу. Більшість кисню на МКС надходить у результаті процесу під назвою «електроліз», який використовує електроенергію від сонячних панелей станції для розщеплення води на водень і кисень, якими вдихають астронавти.
Він також має окрему систему, яка перетворює вуглекислий газ, який видихають астронавти, у воду та метан.
Але ці технології ненадійні, неефективні, важкі та складні в обслуговуванні. Процес генерації кисню, наприклад, вимагає близько третини загальної енергії, необхідної для роботи всієї системи ISS, що підтримує «контроль навколишнього середовища та підтримку життя».
Шляхи вперед
Тому пошук альтернативних систем, які можна використовувати на Місяці та під час подорожей на Марс, триває. Одна з можливостей полягає в тому, щоб збирати сонячну енергію (яку в космосі багато) і безпосередньо використовувати її для виробництва кисню та переробки вуглекислого газу лише в одному пристрої.
Єдиним джерелом для такого пристрою буде вода – подібно до процесу фотосинтезу, що відбувається в природі. Це дозволить уникнути складних установок, де два процеси збору світла та хімічного виробництва розділені, як, наприклад, на МКС.
Це цікаво, оскільки це може зменшити вагу та об’єм системи – два ключових критерії для дослідження космосу. Але це також було б ефективніше.
Ми могли б використати додаткову теплову (теплову) енергію, що виділяється під час процесу уловлювання сонячної енергії, безпосередньо для каталізації (запалювання) хімічних реакцій – тим самим прискорюючи їх. Крім того, можна значно скоротити складну проводку та технічне обслуговування. Ми розробили теоретичну основу для аналізу та прогнозування продуктивності таких інтегрованих пристроїв «штучного фотосинтезу» для застосування на Місяці та Марсі.