Producción de biocombustible para cohetes marcianos en Marte

Producción de biocombustible para cohetes marcianos en Marte

octubre 28, 2021 0 Por RenzoC

Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han desarrollado un concepto que produciría combustible para misiles marcianos en Marte que podría usarse para traer futuros astronautas de regreso a la Tierra.

El proceso de bioproducción utilizaría tres recursos provenientes del planeta rojo: dióxido de carbono, luz solar y agua congelada. También incluiría el transporte de dos microbios a Marte. La primera serían las cianobacterias (algas), que absorberían CO2 de la atmósfera marciana y utilizarían la luz solar para crear azúcares. Una E. coli diseñada, que se enviaría desde la Tierra, convertiría esos azúcares en un propulsor específico de Marte para cohetes y otros dispositivos de propulsión. El propulsor marciano, que se llama 2,3-butanodiol, existe actualmente, puede ser creado por E. coli y, en la Tierra, se utiliza para fabricar polímeros para la producción de caucho.

El proceso se describe en un artículo, «Diseño de la bioproducción de propulsor de cohete marciano a través de una estrategia de utilización de recursos in situ habilitada por biotecnología», publicado en la revista Nature Communications.

Actualmente, se prevé que los motores de cohetes que parten de Marte sean propulsados ​​por metano y oxígeno líquido (LOX). Ninguno de los dos existe en el planeta rojo, lo que significa que tendrían que ser transportados desde la Tierra para impulsar una nave espacial que regrese a la órbita marciana. Ese transporte es caro: se estima que el transporte de las 30 toneladas de metano y LOX necesarias costará unos 8.000 millones de dólares. Para reducir este costo, la NASA propuso usar catálisis química para convertir el dióxido de carbono marciano en LOX, aunque esto aún requiere transportar el metano desde la Tierra.

Alternativamente, los investigadores de Georgia Tech proponen una estrategia de utilización de recursos in situ basada en biotecnología (bio-ISRU) que puede producir tanto propulsor como LOX a partir de CO2. Los investigadores dicen que fabricar el propulsor en Marte utilizando recursos marcianos podría ayudar a reducir los costos de la misión. Además, el proceso de bio-ISRU genera 44 toneladas de exceso de oxígeno limpio que podría reservarse para otros fines, como apoyar la colonización humana.

“El dióxido de carbono es uno de los pocos recursos disponibles en Marte. Saber que la biología es particularmente buena para convertir el CO2 en productos útiles lo hace adecuado para fabricar combustible para cohetes «, dijo Nick Kruyer, primer autor del estudio y recientemente doctor en Filosofía de la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular (ChBE) de Georgia Tech.

El documento describe el proceso, que comienza con el transporte de plásticos a Marte que se ensamblarían en fotobiorreactores que ocupan el tamaño de cuatro campos de fútbol. Las cianobacterias crecerían en reactores a través de la fotosíntesis (que requiere dióxido de carbono). Las enzimas en un reactor separado descompondrían las cianobacterias en azúcares, que podrían alimentarse a E. coli para producir propulsor de cohetes. El propulsor se separaría del caldo de fermentación de E. coli utilizando métodos de separación avanzados.

La investigación del equipo señala que la estrategia bio-ISRU utiliza un 32% menos de energía (pero pesa tres veces más) que la estrategia propuesta químicamente de enviar metano desde la Tierra y producir oxígeno mediante catálisis química.

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

«Se necesita mucha menos energía para despegar a Marte, lo que nos ha dado la flexibilidad de considerar varios productos químicos que no están diseñados para el lanzamiento de cohetes a la Tierra», dijo Pamela Peralta-Yahya, autora correspondiente del estudio y profesora asociada en la Escuela de Chemistry & Biochemistry y ChBE que diseña microbios para la producción de productos químicos. «Hemos comenzado a considerar formas de aprovechar la menor gravedad del planeta y la falta de oxígeno para crear soluciones que no son relevantes para los lanzamientos terrestres».

“El 2,3-butanodiol existe desde hace mucho tiempo, pero nunca pensamos en usarlo como propulsor. Después de un análisis y un estudio experimental preliminar, nos dimos cuenta de que en realidad es un buen candidato ”, dijo Wenting Sun, profesor asociado de la Escuela de Ingeniería Aeroespacial Daniel Guggenheim, que se ocupa de los combustibles.

El equipo de Georgia Tech cubre 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 Realff, profesor y miembro principal de David Wang en ChBE, quien es experto en síntesis de procesos y diseño.

El equipo ahora está buscando realizar la optimización biológica y de materiales identificada para reducir el peso del proceso bio-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, lo que reducirá significativamente la carga útil necesaria para transportar equipos fuera de la Tierra.

«También necesitamos realizar experimentos para demostrar que las cianobacterias se pueden cultivar en condiciones marcianas», dijo Realff, que trabaja en el análisis de procesos basados ​​en algas. “Tenemos que considerar la diferencia en el espectro solar en Marte tanto para la distancia al Sol como para la falta de filtrado atmosférico de la luz solar. Los altos niveles de ultravioleta podrían dañar las cianobacterias ”.

El equipo de Georgia Tech señala que reconocer las diferencias entre los dos planetas es fundamental para desarrollar tecnologías eficientes para la producción ISRU de combustible, alimentos y productos químicos en Marte. Es por eso que están abordando desafíos biológicos y materiales en el estudio en un esfuerzo por contribuir al objetivo de la presencia humana futura 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, abordando temas interesantes de sostenibilidad», agregó Kruyer. «Aplicar la biotecnología a Marte es una manera perfecta de utilizar los recursos limitados disponibles con un mínimo de materiales de partida».

La investigación fue apoyada por un premio de Conceptos Avanzados Innovadores (NIAC) de la NASA.

Cita: Kruyer, et al. «Diseño de la bioproducción del propulsor para cohetes marcianos a través de una estrategia de aprovechamiento de recursos in situ habilitada por la biotecnología ”Nature Communications. 10.1038 / s41467-021-26393-7.

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