Жизнь на Земле обязана своим существованием фотосинтезу — процессу, появившемуся 2,3 миллиарда лет назад. Эта чрезвычайно интересная (и до сих пор не до конца понятная) реакция позволяет растениям и другим организмам получать солнечный свет, воду и углекислый газ, преобразуя их в кислород и энергию в виде сахара.
Фотосинтез является настолько неотъемлемой частью функционирования Земли, что мы воспринимаем его как нечто само собой разумеющееся. Но когда мы смотрим за пределы нашей планеты в поисках мест для исследования и заселения, становится очевидно, насколько редким и ценным является этот процесс.
Как мы с коллегами выяснили в новой работе, опубликованной в журнале Nature Communications, последние достижения в создании искусственного фотосинтеза могут стать ключом к выживанию и процветанию вдали от Земли.
Потребность человека в кислороде усложняет процесс космических путешествий. Требования к топливу ограничивает количество кислорода, которое мы можем взять с собой, особенно если мы хотим совершить дальние путешествия на Луну и Марс. Путешествие на Марс в один конец обычно занимает порядка двух лет, а это значит, что мы не можем отправить с Земли сколько угодно ресурсов.
На Международной космической станции уже существуют способы производства кислорода путём переработки углекислого газа. Большая часть кислорода на МКС поступает в результате электролиза, в котором электричество от солнечных батарей станции используется для разделения воды на водород и кислород, который вдыхают астронавты. На станции также есть отдельная система, преобразующая углекислый газ, который астронавты выдыхают, в воду и метан.
Но эти технологии ненадёжны, неэффективны, тяжелы и сложны в обслуживании. Например, процесс выработки кислорода требует около трети всей энергии, необходимой для работы всей системы «контроля окружающей среды и жизнеобеспечения» МКС.
Пути развития
Поэтому поиск альтернативных систем, которые можно было бы использовать на Луне и во время полётов на Марс, продолжается. Одна из возможностей — собирать солнечную энергию (которой в космосе предостаточно) и напрямую использовать её для производства кислорода и переработки углекислого газа в одном устройстве.
Единственным ресурсом для такого устройства будет вода — аналогично процессу фотосинтеза, происходящему в природе. Это позволит обойти сложные установки, в которых два процесса — сбор света и химическое производство — разделены, как, например, на МКС.
Такой подход может уменьшить вес и объём системы — два ключевых критерия для освоения космоса. Также он может оказаться более эффективным.
Мы могли бы использовать дополнительную тепловую энергию, выделяющуюся в процессе улавливания солнечной энергии, непосредственно для катализа химических реакций — тем самым ускоряя их. Кроме того, можно было бы значительно сократить количество соединений и объём технического обслуживания.
Мы создали теоретическую основу для анализа и прогнозирования работы таких интегрированных устройств «искусственного фотосинтеза» для применения на Луне и Марсе.
Вместо хлорофилла, который отвечает за поглощение света в растениях и водорослях, в этих устройствах используются полупроводниковые материалы, которые могут быть покрыты простыми металлическими катализаторами, поддерживающими желаемую химическую реакцию.
Наш анализ показывает, что эти устройства могли бы дополнить существующие технологии жизнеобеспечения, такие как генератор кислорода, используемый на МКС. Это особенно актуально в сочетании с устройствами, концентрирующими солнечную энергию для проведения реакций (по сути, это зеркала, фокусирующие поступающий солнечный свет).
Существуют и другие подходы. Например, мы можем производить кислород непосредственно из лунного грунта (реголита). Но для этого необходимы высокие температуры.
Устройства искусственного фотосинтеза, с другой стороны, могут работать при комнатной температуре при давлении, которое существует на Марсе и Луне. Это означает, что их можно будет использовать непосредственно в местах обитания, используя воду в качестве основного ресурса.
Это особенно интересно, учитывая предполагаемое наличие водяного льда в лунном кратере Шеклтон, который является предполагаемым местом посадки в будущих лунных миссиях.
На Марсе атмосфера почти на 96% состоит из углекислого газа — казалось бы, идеальный вариант для устройства искусственного фотосинтеза. Но интенсивность света на красной планете слабее, чем на Земле, из-за большего расстояния от Солнца. Может ли это стать проблемой? Мы рассчитали интенсивность солнечного света, доступного на Марсе. Мы показали, что там можно использовать подобные устройства, хотя солнечные зеркала становятся ещё более важными.
Эффективное и надёжное производство кислорода и других химических веществ, а также утилизация углекислого газа на борту космических кораблей и в местах обитания — это огромная проблема, которую мы должны решить для долгосрочных космических миссий.
Существующие системы электролиза, работающие при высоких температурах, требуют значительных затрат энергии. А устройства для преобразования углекислого газа в кислород на Марсе все ещё находятся в зачаточном состоянии, независимо от того, основаны они на фотосинтезе или нет.
Поэтому необходимо несколько лет интенсивных исследований, чтобы иметь возможность использовать эту технологию в космосе. Копирование основных элементов природного фотосинтеза может дать нам некоторые преимущества, которые помогут нам реализовать их в недалёком будущем.
Использование в космосе и на Земле
Отдача была бы огромной. Например, мы могли бы создавать искусственные атмосферы в космических аппаратах и производить химические вещества, необходимые нам в долгосрочных миссиях, такие как удобрения, полимеры или фармацевтические препараты.
Кроме того, знания, которые мы получим при проектировании и изготовлении этих устройств, могут помочь нам решить проблему «зеленой» энергии на Земле.
К счастью, у нас есть растения и водоросли для производства кислорода. Но устройства искусственного фотосинтеза могут быть использованы для производства водорода или топлива на основе углерода (вместо сахара), открывая «зелёный» путь для производства богатых энергией химических веществ, которые мы можем хранить и использовать в транспорте.
Освоение космоса и наша будущая энергетическая экономика имеют очень похожую долгосрочную цель: устойчивость. Устройства искусственного фотосинтеза вполне могут стать ключевой частью её реализации.
