Usando micróbios para fazer biocombustível para um foguete de Marte em Marte

Um novo estudo descreve um processo biotecnológico para a produção de combustível de foguete no Planeta Vermelho.

Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia desenvolveram um conceito que faria combustível para foguetes de Marte MartePode ser usado para trazer futuros astronautas de volta à Terra.

O processo de bioprodução usará três recursos nativos do Planeta Vermelho: dióxido de carbono, luz solar e água congelada. Também envolverá o transporte de dois micróbios para Marte. A primeira são as cianobactérias (algas), que pegam dióxido de carbono da atmosfera marciana e usam a luz do sol para produzir açúcares. Uma Escherichia coli modificada, que será enviada da Terra, transformará esses açúcares em um propelente específico de Marte para foguetes e outros propulsores. Um propelente de Marte, chamado 2,3-butanodiol, existe atualmente, pode ser criado por Escherichia coli e é usado na Terra para fazer polímeros para a produção de borracha.

O processo é descrito em um artigo intitulado “Projetando a bio-produção de propulsão de foguete de Marte por meio de uma estratégia de utilização de recursos no local com suporte de biotecnologia”, publicado na revista Nature Connections.

Uma imagem da cratera Jezero de Marte, tirada pelo rover Perseverance da NASA. Crédito: NASA / JPL-Caltech / ASU / MSSS

Os motores de foguete saindo de Marte estão atualmente planejados para fornecer metano e oxigênio líquido (LOX). Nenhum deles está no Planeta Vermelho, o que significa que precisam ser transportados da Terra para alimentar uma espaçonave de volta à órbita de Marte. Esse transporte é caro: o custo de transporte de 30 toneladas de metano e LOX é estimado em aproximadamente US $ 8 bilhões. Para reduzir esse custo, NASA Ele propôs o uso de catálise química para converter CO2 marciano em LOX, embora isso ainda exigisse o transporte de metano da Terra.

Como alternativa, os pesquisadores da Georgia Tech propõem uma estratégia de uso de recursos in situ baseada em biotecnologia (bio-ISRU) que pode produzir tanto o motivo quanto o LOX a partir do CO2. Os pesquisadores dizem que produzir combustível em Marte usando recursos marcianos pode ajudar a reduzir o custo da missão. Além disso, o bioprocesso ISRU gera 44 toneladas de oxigênio limpo em excesso que podem ser dedicadas a outras finalidades, como apoiar a colonização humana.

“Requer muito menos energia para lançar em Marte, o que nos deu a flexibilidade de olhar para diferentes produtos químicos que não são projetados para lançar foguetes na Terra.” – Pamela Peralta Yahya. Crédito: Georgia Tech

O dióxido de carbono é um dos únicos recursos disponíveis em Marte. Ele é titular da Escola Tecnológica de Engenharia Química e Biomolecular da Geórgia (ChBE), disse Nick Kreuer, primeiro autor do estudo e um recente Ph.

O jornal descreve o processo, que começa com o transporte de plásticos até Marte, que serão montados em biorreatores fotovoltaicos do tamanho de quatro campos de futebol. As cianobactérias crescerão nos reatores por fotossíntese (que requer dióxido de carbono). Enzimas em um reator separado quebram as cianobactérias em açúcares, que podem ser alimentados para Escherichia coli para produzir um propelente de foguete. O propelente será separado do caldo de fermentação da Escherichia coli usando métodos de separação avançados.

A pesquisa da equipe descobriu que a bioestratégia ISRU usa 32% menos energia (mas pesa três vezes mais) do que uma estratégia quimicamente habilitada para enviar metano da Terra e produzir oxigênio por catálise química.

Como a gravidade em Marte é apenas um terço do que sente na Terra, os pesquisadores foram capazes de ser criativos quando pensaram sobre os combustíveis potenciais.

Fotobiorreatores do tamanho de quatro campos de futebol, cobertos por cianobactérias, poderiam produzir combustível para foguetes em Marte. crédito: BOKO. estudo móvel

disse Pamela Peralta Yahya, autora do estudo e professora associada da Faculdade de Química e Bioquímica e da ChBE, que cria micróbios para produzir produtos químicos. “Estamos começando a pensar em maneiras de tirar proveito da baixa gravidade do planeta e da falta de oxigênio para encontrar soluções que não são adequadas para lançamentos na Terra.”

“O 2,3-butanodiol existe há muito tempo, mas nunca pensamos em usá-lo como propulsor. Após análise e um estudo piloto inicial, percebemos que era um ótimo candidato”, disse Wenting Sun, professor associado na Escola Daniel Guggenheim de Engenharia Aeroespacial, que trabalha com combustível.

A equipe da Georgia Tech abrange todo o campus. Químicos, engenheiros químicos, mecânicos e aeroespaciais se reuniram para desenvolver a ideia e o processo para criar um combustível marciano viável. Além de Kruyer, Peralta-Yahya e Sun, o grupo incluía Caroline Genzale, especialista em combustão e professora associada da Escola de Engenharia Mecânica George W. Woodruff, e Matthew Relf, ​​professor e David Wang Sênior Fellow da ChBE, que é especialista no processo de síntese e design.

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

A equipe agora está aguardando o procedimento de otimização biológica e o material identificado para reduzir o peso do bioprocesso ISRU e torná-lo mais leve do que o processo químico proposto. Por exemplo, melhorar a velocidade com que as cianobactérias crescem em Marte reduzirá o tamanho do fotobiorreator, reduzindo significativamente a tonelagem necessária para transportar o equipamento da Terra.

“Também precisamos fazer experimentos para provar que as cianobactérias podem crescer em condições marcianas”, disse Relf, ​​que trabalha na análise de processos baseados em algas. “Precisamos considerar a diferença no espectro solar de Marte devido à distância do sol e à falta de filtragem atmosférica da luz solar. Altos níveis de radiação ultravioleta podem danificar as cianobactérias.”

A equipe da Georgia Tech enfatiza que reconhecer as diferenças entre os dois planetas é fundamental para o desenvolvimento de tecnologias eficientes para a produção ISRU de combustíveis, alimentos e produtos químicos em Marte. É por isso que eles estão enfrentando desafios biológicos e materiais em estudo em um esforço para contribuir com o objetivo de uma futura existência humana além da Terra.

“O laboratório de Peralta Yahya se destaca na descoberta de novas aplicações para biologia sintética e biotecnologia e na resolução de problemas empolgantes de sustentabilidade”, acrescentou Kreuer. “Aplicar biotecnologia a Marte é uma maneira ideal de aproveitar as vantagens dos recursos limitados disponíveis com o mínimo de matéria-prima.”

Referência: “Projetando a bioprodução de propelentes de foguetes marcianos por meio de uma estratégia de utilização de recursos no local habilitada por biotecnologia” por Nicholas S. Croyer e Matthew J. Nature Connections.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26393-7

A pesquisa foi apoiada pelo Innovative Advanced Concepts Award (NIAC) da NASA.