Uso de microbios para producir biocombustible para un cohete de Marte en Marte

Un nuevo estudio describe un proceso biotecnológico para producir combustible para cohetes en el Planeta Rojo.

Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han desarrollado un concepto que produciría combustible para los cohetes de Marte MartePodría usarse para traer futuros astronautas de regreso a la Tierra.

El proceso de bioproducción utilizará tres recursos que son nativos del Planeta Rojo: dióxido de carbono, luz solar y agua congelada. También implicará el transporte de dos microbios a Marte. La primera son las cianobacterias (algas), que tomarán dióxido de carbono de la atmósfera marciana y utilizarán la luz solar para producir azúcares. Una Escherichia coli modificada, que se enviará desde la Tierra, convertirá esos azúcares en un propulsor específico de Marte para cohetes y otros propulsores. Actualmente existe un propulsor de Marte, llamado 2,3-butanodiol, que puede ser creado por Escherichia coli y se utiliza en la Tierra para fabricar polímeros para la producción de caucho.

El proceso se describe en un artículo titulado «Diseño de la bioproducción de la propulsión de un cohete de Marte a través de una estrategia de utilización de recursos en el sitio apoyada por biotecnología», publicado en la revista Conexiones con la naturaleza.

Reloj Mastcam-Z

Una imagen del cráter Jezero de Marte, tomada por el rover Perseverance Mars de la NASA. Crédito: NASA / JPL-Caltech / ASU / MSSS

Los motores de cohetes que salen de Marte están actualmente planeados para suministrar metano y oxígeno líquido (LOX). Ninguno de ellos está en el Planeta Rojo, lo que significa que necesitan ser transportados desde la Tierra para impulsar una nave espacial de regreso a la órbita de Marte. Este transporte es caro: el costo de transportar 30 toneladas de metano y LOX se estima en aproximadamente $ 8 mil millones. Para reducir este costo, NASA Propuso el uso de catálisis química para convertir CO2 marciano en LOX, aunque esto todavía requería transportar metano desde la Tierra.

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Como alternativa, los investigadores de Georgia Tech proponen una estrategia de uso de recursos in situ basada en biotecnología (bio-ISRU) que puede producir tanto el motivo como el LOX a partir del CO2. Los investigadores dicen que la producción de combustible en Marte utilizando recursos marcianos podría ayudar a reducir el costo de la misión. Además, el bioproceso de ISRU genera 44 toneladas de exceso de oxígeno limpio que se puede dedicar a otros fines, como apoyar la colonización humana.

Pamela Peralta Yahya

«Se requiere mucha menos energía para lanzarse a Marte, lo que nos ha dado la flexibilidad para observar diferentes sustancias químicas que no están diseñadas para lanzar cohetes en la Tierra». – Pamela Peralta Yahya. Crédito: Georgia Tech

El dióxido de carbono es uno de los únicos recursos disponibles en Marte. Tiene la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech (ChBE), dijo Nick Kreuer, primer autor del estudio y un Ph.

El documento describe el proceso, que comienza con el transporte de plásticos a Marte que se ensamblarán en biorreactores fotovoltaicos del tamaño de cuatro campos de fútbol. Las cianobacterias crecerán en los reactores por fotosíntesis (que requiere dióxido de carbono). Las enzimas en un reactor separado descomponen las cianobacterias en azúcares, que se pueden alimentar a Escherichia coli para producir un propulsor de cohetes. El propulsor se separará del caldo de fermentación de Escherichia coli utilizando métodos de separación avanzados.

La investigación del equipo descubrió que la bioestrategia ISRU utiliza un 32% menos de energía (pero pesa tres veces más) que una estrategia habilitada químicamente para cargar metano de la Tierra y producir oxígeno mediante catálisis química.

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Dado que la gravedad en Marte es solo un tercio de lo que se siente en la Tierra, los investigadores pudieron ser creativos cuando pensaron en combustibles potenciales.

Fotobiorreactores Marte

Los fotobiorreactores del tamaño de cuatro campos de fútbol, ​​cubiertos de cianobacterias, podrían producir combustible para cohetes en Marte. crédito: BOKO. estudio móvil

dijo Pamela Peralta Yahya, autora del estudio y profesora asociada en la Facultad de Química y Bioquímica y ChBE, que diseña microbios para producir sustancias químicas. «Estamos empezando a pensar en formas de aprovechar la baja gravedad del planeta y la falta de oxígeno para encontrar soluciones que no sean adecuadas para los lanzamientos en la Tierra».

«El 2,3-butanodiol existe desde hace mucho tiempo, pero nunca pensamos en usarlo como propulsor. Después de un análisis y un estudio piloto inicial, nos dimos cuenta de que era un muy buen candidato», dijo Wenting Sun, profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Aeroespacial Daniel Guggenheim que trabaja en el combustible.

El equipo de Georgia Tech se extiende por todo el campus. Químicos, ingenieros químicos, mecánicos y aeroespaciales se unieron para desarrollar la idea y el proceso para crear un combustible marciano viable. Además de Kruyer, Peralta-Yahya y Sun, el grupo incluía a Caroline Genzale, experta en combustión y profesora asociada en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff, y Matthew Relf, ​​profesor y miembro principal de David Wang en ChBE, que es un experto en el proceso de síntesis y diseño.

Caroline Genzal, Matthew Relf y Winning Sun

Caroline Genzal, Matthew Relf y The Wintering Sun. Crédito: Georgia Tech

El equipo ahora espera con interés el procedimiento de optimización biológica y el material identificado para reducir el peso del bioproceso ISRU y hacerlo más liviano que el proceso químico propuesto. Por ejemplo, mejorar la velocidad a la que crecen las cianobacterias en Marte reducirá el tamaño del fotobiorreactor, reduciendo significativamente el tonelaje requerido para transportar equipos desde la Tierra.

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«También necesitamos hacer experimentos para demostrar que las cianobacterias pueden crecer en condiciones marcianas», dijo Relf, ​​quien trabaja en el análisis de procesos basados ​​en algas. «Necesitamos considerar la diferencia en el espectro solar en Marte debido a la distancia del sol y la falta de filtrado atmosférico de la luz solar. Los altos niveles de radiación ultravioleta pueden dañar las cianobacterias».

El equipo de Georgia Tech enfatiza que reconocer las diferencias entre los dos planetas es fundamental para desarrollar tecnologías eficientes para la producción de combustibles, alimentos y productos químicos de ISRU en Marte. Es por eso que están abordando desafíos biológicos y materiales en el estudio en un esfuerzo por contribuir al objetivo de una futura existencia humana más allá de la Tierra.

«El laboratorio de Peralta Yahya sobresale en la búsqueda de nuevas y emocionantes aplicaciones para la biología sintética y la biotecnología, y en el abordaje de interesantes problemas de sustentabilidad», agregó Kreuer. «Aplicar la biotecnología a Marte es una forma ideal de aprovechar los recursos limitados disponibles con un mínimo de materias primas».

Referencia: «Diseño de la bioproducción de propulsores de cohetes marcianos a través de una estrategia de utilización de recursos en el sitio habilitada por la biotecnología» por Nicholas S. Croyer y Matthew J. Conexiones con la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26393-7

La investigación fue apoyada por el premio Innovative Advanced Concepts Award (NIAC) de la NASA.

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