인공 광합성을 완벽하게 할 수 있다면 우주에서도 번성할 수 있다

2030년까지 많은 우주국은 50여 년 전에 아폴로 프로그램이 종료된 이후 처음으로 우주 비행사를 달에 보낼 것입니다. 이러한 프로그램은 다음과 같은 영구적인 기반 시설을 만들 것입니다. 문 게이트그리고 아르테미스 베이스캠프달 마을과 국제 달 연구 기지(ILRS). 다음 10년 안에 화성에 대한 최초의 유인 임무가 수행될 것으로 예상되며, 다른 행성에 최초의 인간 전초 기지가 세워질 것으로 예상됩니다. 상업적 벤처는 또한 저궤도(LEO)에 서식지를 만들어 소행성 채굴에서 우주 관광에 이르기까지 모든 것을 가능하게 하기를 원합니다.

새로워진 우주 탐사 시대(우주 시대 2.0)의 가장 큰 과제 중 하나는 인간이 우주에서 오랜 시간을 보내면서 건강을 유지하도록 하는 것입니다. 그 중 가장 중요한 것은 승무원이 호흡할 수 있는 공기를 안정적으로 공급할 수 있는 기능을 갖춘 생명 유지 시스템을 갖추도록 하는 것인데, 이는 자체적인 기술적 문제를 제기합니다. 최근 연구에서, 카타리나 브링커트 워릭 동굴 대학에서 인공 광합성 그것은 우주로 보내기에 더 작고, 더 가볍고, 더 쉽고, 더 비용 효율적인 새로운 유형의 생명 유지 시스템으로 이어질 수 있습니다.

Brinkert 박사는 영국 워릭 대학교(UoW) 동기부여 조교수일 뿐만 아니라 우주응용기술 및 미세중력 연구단 (ZARM) 독일 브레멘 대학에서. 그것에 합류 해 바이런 로스, 박사. University of Washington, W 화학과 Brinkert 박사 연구 그룹(연구 주도)의 학생 소피아 하우스너그는 의대 부교수다. 기계공학연구소 Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)에서. 그들의 최신 연구를 설명하는 논문이 6월 6일에 게재되었습니다. 네이처 커뮤니케이션즈.

거의 40억년 전 지구의 대기와 환경은 오늘날과 많이 달랐습니다. Archean Eon으로 알려진 이 행성은 활화산으로 덮여 있었고 대기는 대부분 이산화탄소(CO.₂) 및 이산화황 및 기타 화산 가스. 같은 시기에 최초의 생명 형태가 출현한 것으로 여겨집니다. 바로 광합성을 위해 레티놀 또는 엽록소에 의존하는 단세포 미생물입니다. 이 생명체는 물, 햇빛, 이산화탄소를 결합하여 서서히 대기를 변화시켰습니다.₂ 부산물로 포도당(에너지원)과 산소 기체를 생성합니다.

이로 인해위대한 산화 사건그리고 더 복잡한 생명체의 출현, 결국 인간과 호모 사피엔스(일명 인류)로 이어지는 지구 생명체를 위한 광합성은 과학자들이 우주에서 더 쉽게 살 수 있도록 하는 과정을 활용하기를 희망하는 필수적인 부분입니다. 국제 우주 정거장 (ISS), 우주 비행사는 환경 제어 시스템 및 생명 유지 (ECLSS) 산소의 지속적인 공급을 제공합니다. 이 시스템은 스테이션의 태양열 패널에서 나오는 전기로 물을 수소와 산소 가스로 분리하는 전기 분해를 기반으로 합니다.

한편 별도의 시스템은 공기에서 이산화탄소를 “정화”하여 물과 메탄으로 변환합니다. 안타깝게도 이러한 시스템은 크고 부피가 크며 유지 관리가 어렵고 비효율적이며 ECLSS를 실행하는 데 필요한 에너지의 약 1/3이 필요합니다. 저궤도(LEO) 임무는 몇 시간 만에 재보급할 수 있으므로 시스템 보충은 상대적으로 쉽습니다. 그러나 이동하는 데 6~9개월이 걸리고 최대 3년이 걸릴 수 있는 화성 임무의 경우 재보급 임무는 실용적이지 않습니다. Brinkert 박사가 최근 논평에서 말했듯이 대화:

따라서 달과 화성 여행에서 사용할 수 있는 대체 시스템에 대한 검색이 계속됩니다. 한 가지 가능성은 (우주에 풍부한) 태양 에너지를 수확하여 단 하나의 장치에서 직접 산소를 생산하고 이산화탄소를 재활용하는 데 사용하는 것입니다. 이러한 장치에 입력되는 유일한 다른 입력은 물입니다. 이는 자연에서 발생하는 광합성 과정과 유사합니다. 이것은 국제 우주 정거장의 경우처럼 빛 수확과 화학 생산이 분리되는 복잡한 설정 프로세스를 우회할 것입니다.”

식물과 조류가 햇빛을 흡수하기 위해 의존하는 엽록소 대신 광전지 시스템(PEC)은 금속 촉매로 둘러싸인 반도체 재료에 의존하여 이산화탄소와 물을 산소 가스와 수소/탄소 기반 연료로 전환합니다. 태양열 난방의 추가 에너지는 물을 직접 촉매화하고 화학 공정을 가속화하여 전기를 덜 필요로 하는 데 활용될 수 있습니다. 이 생명 유지 시스템은 감소된 크기와 무게를 효율성 증가와 결합하기 때문에 장거리 임무에 매우 유용할 것입니다.

또한 복잡한 배선과 기계 부품이 덜 필요하기 때문에 시스템을 유지 관리하기가 더 쉽습니다. 이 개념을 테스트하기 위해 Brinkert 박사와 동료들은 PEC와 기존 BLSS의 성능을 측정하는 이론적 프레임워크를 생성했습니다. 여기에는 효율적인 태양 물 분할, 화성에서 사용 가능한 태양 에너지(지구가 받는 양의 약 절반), 화성 대기의 이산화탄소 감소가 포함됩니다. 마지막으로 그들은 태양열 집광 장치가 PEC 장치를 지원하는 방법과 현장 자원 활용(ISRU)을 통해 제작할 수 있는 방법을 연구했습니다. 블링커트는 이렇게 말했습니다.

화성의 대기권 [is composed] 그것은 대략 96%의 이산화탄소를 함유하고 있는데 이것은 인공 광합성 장치에 이상적입니다. 그러나 붉은 행성의 빛의 강도는 태양으로부터의 거리가 멀기 때문에 지구보다 약합니다. 이것이 문제가 됩니까? 우리는 이미 화성에서 사용할 수 있는 햇빛의 강도를 계산했습니다. 우리는 태양 거울이 점점 더 중요해지고 있지만 실제로 이러한 장치를 그곳에서 사용할 수 있음을 보여주었습니다.

우리의 분석에 따르면 이러한 장치는 실제로 국제 우주 정거장에서 사용되는 산소 발생기 세트와 같은 기존 생명 유지 기술을 보완할 수 있습니다. 이것은 반응에 동력을 공급하기 위해 태양 에너지를 집중시키는 장치(주로 들어오는 햇빛에 초점을 맞추는 대형 거울)와 결합할 때 특히 그렇습니다.

이 제안된 시스템은 고온에서 작동하고 많은 전기를 필요로 하는 기존 전해조에 비해 몇 가지 장점을 제공합니다. NASA가 달의 표토에서 직접 산소를 수확할 수 있는 기술을 연구하고 있지만 이 방법은 원소 산소를 산소 가스(O2)로 변환하는 데 매우 높은 온도가 필요합니다. 반면에 PEC는 물을 주 자원으로 사용하여 화성과 달의 서식지 내에서 상온에서 작동할 수 있습니다. 화성과 분화구에 풍부한 물 얼음 남극 에이트켄 분지 이 방법을 특히 매력적으로 만듭니다.

이 기술은 아직 초기 단계이며 추가 연구가 몇 년 더 필요하다고 Blinkert는 말합니다. 그러나 장기 임무를 위한 경량 생명 유지 시스템에서 지구 저궤도, 달 및 화성의 서식지를 위한 인공 대기에 이르기까지 잠재적인 수익은 엄청날 것입니다. 그러나 물론 이점은 우주 탐사를 넘어 집에서 응용할 수 있습니다. 블링커트는 이렇게 말했습니다.

“[T]이러한 장치의 설계 및 제조에서 얻은 통찰력은 지구상의 녹색 에너지 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 우리는 운 좋게도 산소를 생산하는 식물과 조류를 가지고 있습니다. 그러나 인공 광합성제는 (당 대신) 수소 또는 탄소 기반 연료를 생산하는 데 사용될 수 있어 우리가 저장하고 운송에 사용할 수 있는 에너지가 풍부한 화학 물질을 생산할 수 있는 녹색 경로를 열어줍니다. 우주 탐사와 미래 에너지 경제는 지속 가능성이라는 매우 유사하고 광범위한 목표를 가지고 있습니다. 인공 광합성 장치는 이를 실현하는 핵심 부분이 될 수 있습니다.”

이 연구는 지구상의 생물학적 시스템을 모방한 생명 유지 시스템을 개발하려는 유사한 노력을 반영합니다. 이 제안 중요한 생명 유지 시스템 BLSS는 시간이 지남에 따라 자체적으로 재생되어 산소, 물, 심지어 음식까지 지속 가능한 방식으로 제공할 수 있습니다. 이 기술의 개발은 우주에서 인류의 미래를 보장하고 지구에서 보다 지속 가능한 삶을 가능하게 하여 기후 변화의 영향을 완화하는 데 도움을 줄 것입니다.

추가 정보: 대화그리고 네이처 커뮤니케이션즈