Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han desarrollado un concepto que produciría combustible para cohetes marcianos, en Marte, que podría usarse para lanzar a futuros astronautas de regreso a la Tierra.
El proceso de bioproducción usaría tres recursos nativos del planeta rojo: dióxido de carbono, luz solar y agua congelada. También incluiría el transporte de dos microbios a Marte. El primero serían las cianobacterias algas, que tomarían CO 2 de la atmósfera marciana y usar 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 llamaEl 2,3-butanodiol, que existe actualmente, puede ser creado por E. coli y, en la Tierra, se utiliza para fabricar polímeros para la producción de caucho.
Actualmente se prevé que los motores de cohetes que salen de Marte sean alimentados 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 de regreso a la órbita marciana. Ese transporte escostoso: transportar las 30 toneladas necesarias de metano y LOX cuesta alrededor de $ 8 mil millones. Para reducir este costo, la NASA ha propuesto usar catálisis química para convertir el dióxido de carbono marciano en LOX, aunque esto aún requiere que el metano sea transportado desde la Tierra.
Como alternativa, los investigadores de Georgia Tech proponen una estrategia de utilización de recursos in situ basada en biotecnología bio-ISRU que puede producir tanto el propulsor como LOX a partir de CO 2 . Los investigadores dicen que fabricar el propulsor en Marte utilizando recursos marcianos podría ayudar a reducir el costo de la misión. Además, el proceso bio-ISRU genera 44 toneladas de oxígeno limpio en exceso que podría reservarse para otros fines, como apoyar la colonización humana..
"El dióxido de carbono es uno de los únicos recursos disponibles en Marte. Sabiendo que la biología es especialmente buena para convertir CO 2 en productos útiles hace que sea una buena opción para crear 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 transportando materiales plásticos a Marte que se ensamblarían en fotobiorreactores que ocuparían el tamaño de cuatro campos de fútbol. Las cianobacterias crecerían en los reactores a través de la fotosíntesis que requiere dióxido de carbono. Enzimas en un reactor separadodescompondría las cianobacterias en azúcares, que podrían alimentarse a la E. coli para producir el propulsor de cohete. El propulsor se separaría del caldo de fermentación de E. coli utilizando métodos avanzados de separación.
La investigación del equipo encuentra que la estrategia bio-ISRU usa un 32% menos de energía pero pesa tres veces más que la estrategia propuesta químicamente habilitada de enviar metano desde la Tierra y producir oxígeno a través de catálisis química.
Debido a que la gravedad en Marte es solo un tercio de lo que se siente en la Tierra, los investigadores pudieron ser creativos al pensar en combustibles potenciales.
"Se necesita mucha menos energía para despegar en Marte, lo que nos dio la flexibilidad de considerar diferentes sustancias químicas que no están diseñadas para el lanzamiento de cohetes en la Tierra", dijo Pamela Peralta-Yahya, autora correspondiente del estudio yun profesor asociado en la Escuela de Química y Bioquímica y ChBE que diseña microbios para la producción de químicos. "Comenzamos 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 ha existido durante mucho tiempo, pero nunca pensamos en usarlo como propulsor. Después del análisis y el estudio experimental preliminar, nos dimos cuenta de que en realidad es un buen candidato", dijo Wenting Sun, asociadoprofesor de la Escuela de Ingeniería Aeroespacial Daniel Guggenheim, que trabaja con combustibles.
El equipo de Georgia Tech abarca 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, un experto en combustión y profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff, y Matthew Realff, profesor y David Wang Sr. Fellow en ChBE, quien es un experto en síntesis y diseño de procesos.
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 las cianobacterias crecen en Marte reducirá latamaño del fotobiorreactor, reduciendo significativamente la carga útil necesaria para transportar el equipo desde la Tierra.
"También necesitamos realizar experimentos para demostrar que las cianobacterias se pueden cultivar en condiciones marcianas", dijo Realff, que trabaja en análisis de procesos basados en algas. "Necesitamos considerar la diferencia en el espectro solar en Marte debido tanto a ladistancia del Sol y falta de filtrado atmosférico de la luz solar. Los niveles altos de ultravioleta podrían 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 ISRU de combustible, alimentos y químicos en Marte. Es por eso que están abordando los desafíos biológicos y materiales en el estudio enun esfuerzo para contribuir al objetivo de la futura presencia humana más allá de la Tierra.
"El laboratorio de Peralta-Yahya sobresale en la búsqueda de aplicaciones nuevas y emocionantes para la biología sintética y la biotecnología, abordando problemas emocionantes en sostenibilidad", agregó Kruyer. "La aplicación de la biotecnología en Marte es una manera perfecta de hacer uso de los recursos disponibles limitados con un mínimomateriales para empezar."
La investigación fue apoyada por un Premio de Conceptos Avanzados Innovadores NIAC de la NASA.
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