La vida en la Tierra debe su existencia a la fotosíntesis, un proceso que tiene 2.300 millones de años. Esta reacción inmensamente fascinante (y aún no completamente comprendida) permite a las plantas y otros organismos recolectar luz solar, agua y dióxido de carbono mientras los convierte en oxígeno y energía en forma de azúcar.
La fotosíntesis es una parte tan integral del funcionamiento de la Tierra que prácticamente la damos por sentado. Pero a medida que miramos más allá de nuestro propio planeta en busca de lugares para explorar y asentarnos, es obvio cuán raro y valioso es el proceso.
Como mis colegas y yo hemos investigado en un nuevo artículo, publicado en Nature Communications , los avances recientes en la fotosíntesis artificial bien pueden ser clave para sobrevivir y prosperar lejos de la Tierra.
La necesidad humana de oxígeno hace que los viajes espaciales sean complicados. Las restricciones de combustible limitan la cantidad de oxígeno que podemos llevar con nosotros, especialmente si queremos emprender viajes de larga distancia a la Luna y Marte. Un viaje de ida a Marte suele durar del orden de dos años, lo que significa que no podemos enviar fácilmente suministros de recursos desde la Tierra.
Ya existen formas de producir oxígeno mediante el reciclaje de dióxido de carbono en la Estación Espacial Internacional. La mayor parte del oxígeno de la ISS proviene de un proceso llamado "electrólisis", que utiliza la electricidad de los paneles solares de la estación para dividir el agua en gas hidrógeno y gas oxígeno , que inhalan los astronautas. También tiene un sistema separado que convierte el dióxido de carbono que respiran los astronautas. hacia el agua y el metano.
Pero estas tecnologías son poco fiables, ineficientes, pesadas y difíciles de mantener. El proceso de generación de oxígeno, por ejemplo, requiere alrededor de un tercio de la energía total necesaria para hacer funcionar todo el sistema de la ISS para el "control ambiental y soporte vital".
Caminos a seguir
Por lo tanto, continúa la búsqueda de sistemas alternativos que puedan emplearse en la Luna y en viajes a Marte. Una posibilidad es recolectar energía solar (que es abundante en el espacio) y usarla directamente para la producción de oxígeno y el reciclaje de dióxido de carbono en un solo dispositivo.
La única otra entrada en un dispositivo de este tipo sería el agua, similar a la fotosíntesis en la naturaleza. Eso evitaría configuraciones complejas donde los dos procesos de recolección de luz y producción química están separados, como en la ISS.
Esto es interesante ya que podría reducir el peso y el volumen del sistema, dos criterios clave para la exploración espacial. Pero también sería más eficiente.
Podríamos usar energía térmica (calor) adicional liberada mientras capturamos energía solar directamente para catalizar (encender) las reacciones químicas, acelerándolas así. Además, el cableado y el mantenimiento complejos podrían reducirse significativamente.
Produjimos un marco teórico para analizar y predecir el rendimiento de tales dispositivos integrados de "fotosíntesis artificial" para aplicaciones en la Luna y Marte.
En lugar de clorofila, que es responsable de la absorción de luz en plantas y algas, estos dispositivos utilizan materiales semiconductores que pueden recubrirse directamente con catalizadores metálicos simples que respaldan la reacción química deseada.
Nuestro análisis muestra que estos dispositivos podrían complementar las tecnologías de soporte vital existentes, como el conjunto del generador de oxígeno empleado en la ISS. Este es particularmente el caso cuando se combina con dispositivos que concentran la energía solar para impulsar las reacciones (esencialmente grandes espejos que enfocan la luz solar entrante).
También hay otros enfoques. Por ejemplo, podemos producir oxígeno directamente del suelo lunar (regolito). Pero esto requiere altas temperaturas para funcionar.
Los dispositivos de fotosíntesis artificial, por otro lado, podrían operar a temperatura ambiente a las presiones que se encuentran en Marte y la Luna. Eso significa que podrían usarse directamente en los hábitats y usar el agua como recurso principal.
Esto es particularmente interesante dada la presencia potencial de hielo de agua en el cráter Shackleton , que es un sitio de aterrizaje anticipado en futuras misiones lunares.
En Marte, la atmósfera está compuesta de casi un 96 por ciento de dióxido de carbono, aparentemente ideal para un dispositivo de fotosíntesis artificial. Pero la intensidad de la luz en el planeta rojo es más débil que en la Tierra debido a la mayor distancia al Sol.
Entonces, ¿sería esto un problema? De hecho, calculamos la intensidad de la luz solar disponible en Marte. Mostramos que efectivamente podemos usar estos dispositivos allí, aunque los espejos solares se vuelven aún más importantes.
La producción eficiente y confiable de oxígeno y otros productos químicos, así como el reciclaje de dióxido de carbono a bordo de naves espaciales y en los hábitats, es un gran desafío que debemos dominar para las misiones espaciales a largo plazo.
Los sistemas de electrólisis existentes, que funcionan a altas temperaturas, requieren una cantidad significativa de energía. Y los dispositivos para convertir el dióxido de carbono en oxígeno en Marte todavía están en pañales , ya sea que se basen en la fotosíntesis o no.
Por lo tanto, son necesarios varios años de intensa investigación para poder utilizar esta tecnología en el espacio. Copiar los fragmentos esenciales de la fotosíntesis en la naturaleza podría brindarnos algunas ventajas y ayudarnos a realizarlas en un futuro no muy lejano.
Uso en el espacio y en la Tierra
Los beneficios serían enormes. Por ejemplo, podríamos crear atmósferas artificiales en el espacio y producir los productos químicos que necesitamos en misiones a largo plazo, como fertilizantes, polímeros o productos farmacéuticos.
Además, los conocimientos que obtenemos al diseñar y fabricar estos dispositivos podrían ayudarnos a enfrentar el desafío de la energía verde en la Tierra.
Tenemos la suerte de tener plantas y algas para la producción de oxígeno. Pero los dispositivos de fotosíntesis artificial podrían usarse para producir hidrógeno o combustibles a base de carbono (en lugar de azúcares), abriendo una forma más ecológica de producir los productos químicos ricos en energía que almacenamos y usamos en el transporte.
La exploración del espacio y nuestra futura economía energética tienen un objetivo a largo plazo muy similar: la sostenibilidad. Los dispositivos de fotosíntesis artificial bien pueden convertirse en una parte clave para lograrlo.
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