Menggunakan mikroba untuk membuat biofuel untuk roket Mars di Mars

Sebuah studi baru menguraikan proses bioteknologi untuk memproduksi bahan bakar roket di Planet Merah.

Para peneliti di Institut Teknologi Georgia telah mengembangkan konsep yang akan membuat bahan bakar untuk roket Mars MarsItu bisa digunakan untuk membawa astronot masa depan kembali ke Bumi.

Proses bioproduksi akan menggunakan tiga sumber daya asli Planet Merah: karbon dioksida, sinar matahari, dan air beku. Ini juga akan melibatkan pengangkutan dua mikroba ke Mars. Yang pertama adalah cyanobacteria (ganggang), yang akan mengambil karbon dioksida dari atmosfer Mars dan menggunakan sinar matahari untuk menghasilkan gula. Escherichia coli yang dimodifikasi, yang akan dikirim dari Bumi, akan mengubah gula tersebut menjadi propelan khusus Mars untuk roket dan pendorong lainnya. Sebuah propelan Mars, yang disebut 2,3-butanediol, saat ini ada, dapat dibuat oleh Escherichia coli, dan digunakan di Bumi untuk membuat polimer untuk produksi karet.

Proses tersebut dituangkan dalam sebuah makalah berjudul “Merancang Bio-Produksi Propulsi Roket Mars Melalui Strategi Pemanfaatan Sumber Daya Di Tempat yang Didukung Bioteknologi,” yang diterbitkan dalam jurnal Koneksi Alam.

Gambar Kawah Jezero Mars, diambil oleh penjelajah Mars Perseverance NASA. Kredit: NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS

Mesin roket yang meninggalkan Mars saat ini direncanakan untuk memasok metana dan oksigen cair (LOX). Tak satu pun dari mereka berada di Planet Merah, yang berarti mereka perlu diangkut dari Bumi untuk menggerakkan pesawat ruang angkasa kembali ke orbit Mars. Pengangkutan ini mahal: biaya pengangkutan 30 ton metana dan LOX diperkirakan sekitar $8 miliar. Untuk mengurangi biaya ini, NASA Dia mengusulkan penggunaan katalisis kimia untuk mengubah CO2 Mars menjadi LOX, meskipun ini masih membutuhkan pengangkutan metana dari Bumi.

Sebagai alternatif, peneliti Georgia Tech mengusulkan strategi penggunaan sumber daya in situ (bio-ISRU) berbasis bioteknologi yang dapat menghasilkan motif dan LOX dari CO2. Para peneliti mengatakan membuat bahan bakar di Mars menggunakan sumber daya Mars dapat membantu mengurangi biaya misi. Selain itu, bioproses ISRU menghasilkan 44 ton oksigen bersih berlebih yang dapat digunakan untuk tujuan lain, seperti mendukung kolonisasi manusia.

“Ini membutuhkan lebih sedikit energi untuk diluncurkan di Mars, yang telah memberi kami fleksibilitas untuk melihat bahan kimia berbeda yang tidak dirancang untuk meluncurkan roket di Bumi.” – Pamela Peralta Yahya. Kredit: Georgia Tech

Karbon dioksida adalah satu-satunya sumber daya yang tersedia di Mars. Dia memegang Georgia Tech School of Chemical and Biomolecular Engineering (ChBE), kata Nick Kreuer, penulis pertama studi dan Ph.D. baru-baru ini.

Makalah tersebut menguraikan proses, yang dimulai dengan pengangkutan plastik ke Mars yang akan dirakit menjadi bioreaktor fotovoltaik seukuran empat lapangan sepak bola. Cyanobacteria akan tumbuh di reaktor dengan fotosintesis (yang membutuhkan karbon dioksida). Enzim dalam reaktor terpisah memecah cyanobacteria menjadi gula, yang dapat diumpankan ke Escherichia coli untuk menghasilkan propelan roket. Propelan akan dipisahkan dari kaldu fermentasi Escherichia coli menggunakan metode pemisahan lanjutan.

Penelitian tim menemukan bahwa bio-strategi ISRU menggunakan energi 32% lebih sedikit (tetapi beratnya tiga kali lebih banyak) daripada strategi yang diaktifkan secara kimia untuk mengisi metana dari Bumi dan menghasilkan oksigen melalui katalisis kimia.

Karena gravitasi di Mars hanya sepertiga dari apa yang dirasakan di Bumi, para peneliti dapat menjadi kreatif ketika mereka memikirkan bahan bakar potensial.

Fotobioreaktor seukuran empat lapangan sepak bola, tercakup dalam cyanobacteria, dapat menghasilkan bahan bakar roket di Mars. kredit: BOKO . studi seluler

kata Pamela Peralta Yahya, penulis studi dan profesor di Sekolah Tinggi Kimia dan Biokimia dan ChBE yang merekayasa mikroba untuk menghasilkan bahan kimia. “Kami mulai memikirkan cara untuk memanfaatkan gravitasi rendah planet ini dan kekurangan oksigen untuk menemukan solusi yang tidak cocok untuk peluncuran di Bumi.”

“2,3-Butanediol telah ada sejak lama, tetapi kami tidak pernah berpikir untuk menggunakannya sebagai propelan. Setelah analisis dan studi percontohan awal, kami menyadari bahwa itu adalah kandidat yang sangat bagus,” kata Wenting Sun, seorang profesor asosiasi. di Daniel Guggenheim School of Aerospace Engineering yang mengerjakan bahan bakar. .

Tim Georgia Tech menjangkau kampus. Ahli kimia, kimia, mekanik, dan insinyur kedirgantaraan berkumpul untuk mengembangkan ide dan proses untuk menciptakan bahan bakar Mars yang layak. Selain Kruyer, Peralta-Yahya, dan Sun, kelompok tersebut termasuk Caroline Genzale, ahli pembakaran dan profesor di Sekolah Teknik Mesin George W. Woodruff, dan Matthew Relf, ​​profesor dan David Wang Sr. Fellow di ChBE, yang ahli dalam proses sintesis dan desain.

Caroline Genzal, Matthew Relf dan Matahari Musim Dingin. Kredit: Georgia Tech

Tim sekarang menantikan prosedur optimasi biologis dan bahan yang diidentifikasi untuk mengurangi berat bioproses ISRU dan membuatnya lebih ringan dari proses kimia yang diusulkan. Misalnya, meningkatkan kecepatan pertumbuhan cyanobacteria di Mars akan mengurangi ukuran fotobioreaktor, secara signifikan mengurangi tonase yang dibutuhkan untuk mengangkut peralatan dari Bumi.

“Kami juga perlu melakukan eksperimen untuk membuktikan bahwa cyanobacteria dapat tumbuh dalam kondisi Mars,” kata Relf, ​​yang bekerja pada analisis proses berbasis alga. “Kita perlu mempertimbangkan perbedaan spektrum matahari di Mars karena jarak dari matahari dan kurangnya penyaringan atmosfer dari sinar matahari. Radiasi ultraviolet tingkat tinggi dapat merusak cyanobacteria.”

Tim Georgia Tech menekankan bahwa mengenali perbedaan antara kedua planet sangat penting untuk mengembangkan teknologi yang efisien untuk produksi bahan bakar, makanan, dan bahan kimia ISRU di Mars. Itu sebabnya mereka menangani tantangan biologis dan materi dalam penelitian ini dalam upaya untuk berkontribusi pada tujuan keberadaan manusia di masa depan di luar Bumi.

“Laboratorium Peralta Yahya unggul dalam menemukan aplikasi baru yang menarik untuk biologi sintetik dan bioteknologi, dan mengatasi masalah menarik dalam keberlanjutan,” tambah Kreuer. “Menerapkan bioteknologi ke Mars adalah cara ideal untuk memanfaatkan sumber daya terbatas yang tersedia dengan bahan baku minimal.”

Referensi: “Merancang bioproduksi propelan roket Mars melalui strategi pemanfaatan sumber daya di tempat yang diaktifkan bioteknologi” oleh Nicholas S. Croyer dan Matthew J. Koneksi Alam.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26393-7

Penelitian ini didukung oleh NASA’s Innovative Advanced Concepts Award (NIAC).