Жизнь на Земле обязана своим существованием фотосинтезу – процессу, которому 2,3 миллиарда лет. Эта чрезвычайно увлекательная (и до сих пор до конца не изученная) реакция позволяет растениям и другим организмам собирать солнечный свет, воду и углекислый газ, преобразуя их в кислород и энергию в виде сахара.
Фотосинтез является настолько неотъемлемой частью функционирования Земли, что мы в значительной степени воспринимаем его как нечто само собой разумеющееся. Но когда мы смотрим за пределы нашей собственной планеты в поисках мест для исследования и заселения, становится очевидно, насколько редок и ценен этот процесс.
Недавние достижения в области искусственного фотосинтеза вполне могут стать ключом к выживанию и процветанию вдали от Земли.
Потребность человека в кислороде затрудняет космические путешествия. Нехватка топлива 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 означает, что мы не можем легко отправлять запасы ресурсов с Земли.
Уже существуют способы получения кислорода путем переработки углекислого газа на Международной космической станции. Большая часть кислорода на МКС поступает в результате процесса, называемого "электролиз", который использует электричество от солнечных панелей станции для расщепления воды на газообразный водород и кислород, которым дышат астронавты.
Он также оснащен отдельной системой, преобразующей углекислый газ, который выдыхают астронавты, в воду и метан.
Но эти технологии ненадежны, неэффективны, тяжелы и сложны в обслуживании. Процесс выработки кислорода, например, требует около трети всей энергии, необходимой для работы всей системы МКС, поддерживающей "экологический контроль и жизнеобеспечение".
Пути продвижения вперед
Поэтому поиск альтернативных систем, которые можно было бы использовать на Луне и при полетах на Марс, продолжается. Одна из возможностей заключается в сборе солнечной энергии (которой в космосе предостаточно) и непосредственном использовании ее для производства кислорода и утилизации углекислого газа всего в одном устройстве.
Единственным другим источником энергии в таком устройстве была бы вода – аналогично процессу фотосинтеза, происходящему в природе. Это позволило бы обойти сложные установки, в которых два процесса сбора света и химического производства разделены, как, например, на МКС.
Это интересно, поскольку могло бы уменьшить вес и объем системы – два ключевых критерия для освоения космоса. Но это также было бы более эффективно.
Мы могли бы использовать дополнительную тепловую энергию, выделяющуюся в процессе улавливания солнечной энергии непосредственно для катализа (воспламенения) химических реакций – тем самым ускоряя их. Кроме того, можно было бы значительно сократить затраты на сложную проводку и техническое обслуживание.
Вместо хлорофилла, который отвечает за поглощение света растениями и водорослями, в этих устройствах используются полупроводниковые материалы, которые могут быть непосредственно покрыты простыми металлическими катализаторами, поддерживающими желаемую химическую реакцию.
Анализ показывает, что эти устройства действительно были бы жизнеспособны в дополнение к существующим технологиям жизнеобеспечения, таким как генератор кислорода в сборе, используемый на МКС. Это особенно актуально в сочетании с устройствами, которые концентрируют солнечную энергию для приведения реакций в действие (по сути, это большие зеркала, которые фокусируют поступающий солнечный свет).
Есть и другие подходы. Например, мы можем производить кислород непосредственно из лунного грунта (реголита). Но для работы этого требуются высокие температуры.
С другой стороны, устройства искусственного фотосинтеза могли бы работать при комнатной температуре и давлении, характерном для Марса и Луны. Это означает, что их можно было бы использовать непосредственно в местах обитания, используя воду в качестве основного ресурса.
Это особенно интересно, учитывая предполагаемое наличие ледяной воды в лунном кратере Шеклтон, который является предполагаемым местом посадки в будущих лунных миссиях.
На Марсе атмосфера состоит почти на 96% из углекислого газа, что, по-видимому, идеально подходит для устройства искусственного фотосинтеза. Но интенсивность света на Красной планете слабее, чем на Земле, из-за большего расстояния от Солнца.
Эффективное и надежное производство кислорода и других химических веществ, а также утилизация углекислого газа на борту космических аппаратов и в местах обитания - это огромная задача, которую необходимо решить для долгосрочных космических полетов.
Существующие системы электролиза, работающие при высоких температурах, требуют значительного расхода энергии. А устройства для преобразования углекислого газа в кислород на Марсе все еще находятся в зачаточном состоянии, независимо от того, основаны они на фотосинтезе или нет.
Использование в космосе и на Земле
Отдача была бы огромной. Например, мы действительно могли бы создавать искусственную атмосферу в космосе и производить химические вещества, необходимые нам для долгосрочных миссий, такие как удобрения, полимеры или фармацевтические препараты.
Кроме того, эти знания могут помочь нам решить проблему зеленой энергетики на Земле.
Нам посчастливилось иметь растения и водоросли для производства кислорода. Но устройства искусственного фотосинтеза можно было бы использовать для производства топлива на основе водорода или углерода (вместо сахаров), открывая экологичный способ производства богатых энергией химических веществ, которые мы можем хранить и использовать в транспорте.
Исследование космоса и наша будущая энергетическая экономика преследуют очень схожую долгосрочную цель: устойчивое развитие. Устройства для искусственного фотосинтеза вполне могут стать ключевой частью его реализации.