一项新研究概述了在红色星球上生产火箭燃料的生物技术过程。
在佐治亚技术研究所的研究人员已经开发出一种概念，这将使火星火箭燃料，上火星，也可以用来启动未来的宇航员返回地球。
生物生产过程将使用这颗红色星球的三种原生资源：二氧化碳、阳光和冷冻水。它还包括将两种微生物运送到火星。第一个是蓝藻(藻类)，它会从火星大气中吸收二氧化碳并利用阳光来制造糖分。一种将从地球运来的工程大肠杆菌，将这些糖转化为火星特有的推进剂，用于火箭和其他推进装置。火星推进剂，称为 2,3-丁二醇，目前存在，可以由大肠杆菌产生，并且在地球上用于制造用于生产橡胶的聚合物。
发表在《自然通讯》杂志上的一篇论文“通过生物技术支持的原位资源利用策略设计火星火箭推进剂的生物生产”中概述了这一过程。
离开火星的火箭发动机目前计划以甲烷和液氧 (LOX) 为燃料。这颗红色星球上不存在这两种物质，这意味着它们需要从地球运来，以驱动返回航天器进入火星轨道。这种运输成本很高：运送所需的 30 吨甲烷和 LOX 估计耗资约 80 亿美元。为了降低这一成本，NASA提议使用化学催化将火星二氧化碳转化为 LOX，尽管这仍然需要从地球运输甲烷。
作为替代方案，佐治亚理工学院的研究人员提出了一种基于生物技术的原位资源利用 (bio-ISRU) 策略，该策略可以从 CO2 中生产推进剂和 LOX。研究人员表示，利用火星资源在火星上制造推进剂有助于降低任务成本。此外，生物 ISRU 过程会产生 44 吨多余的清洁氧气，可以留出用于其他目的，例如支持人类定植。
“二氧化碳是火星上唯一可用的资源之一。了解生物学特别擅长将二氧化碳转化为有用的产品，这使它非常适合制造火箭燃料，”该研究的第一作者、最近获得博士学位的尼克克鲁耶说。佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院 (ChBE) 的获得者。
该论文概述了这一过程，首先将塑料材料运送到火星，这些材料将组装成占据四个足球场大小的光生物反应器。蓝藻将通过光合作用(需要二氧化碳)在反应器中生长。单独反应器中的酶会将蓝藻分解成糖，这些糖可以被输送到大肠杆菌中以生产火箭推进剂。推进剂将使用先进的分离方法与大肠杆菌发酵液分离。
该团队的研究发现，与提议的从地球运送甲烷并通过化学催化产生氧气的化学启用策略相比，生物 ISRU 策略使用的能量少 32%(但重量是其三倍)。
由于火星上的重力只有地球上的三分之一，研究人员在考虑潜在燃料时能够发挥创造力。
该研究的通讯作者兼助理帕梅拉·佩拉尔塔-叶海亚 (Pamela Peralta-Yahya) 说：“在火星上发射所需的能量要少得多，这让我们可以灵活地考虑不是为在地球上发射火箭而设计的不同化学物质。”化学与生物化学学院和 ChBE 的教授，他设计微生物以生产化学品。“我们开始考虑如何利用地球的低重力和缺氧来创造与地球发射无关的解决方案。”
“2,3-丁二醇已经存在很长时间了，但我们从未想过将其用作推进剂。经过分析和初步实验研究，我们意识到它实际上是一个很好的候选者，”从事燃料研究的丹尼尔·古根海姆航空航天工程学院副教授孙文廷说。
佐治亚理工学院团队跨越校园。化学家、化学家、机械工程师和航空航天工程师齐聚一堂，共同开发创造可行的火星燃料的想法和工艺。除了 Kruyer、Peralta-Yahya 和 Sun 之外，该小组还包括乔治·W·伍德拉夫机械工程学院的燃烧专家兼副教授 Caroline Genzale，以及 ChBE 的教授兼 David Wang Sr. Fellow Matthew Realff。是工艺综合和设计方面的专家。
该团队现在正在寻求执行已确定的生物和材料优化，以减轻 bio-ISRU 工艺的重量并使其比提议的化学工艺更轻。例如，提高蓝藻在火星上的生长速度将减小光生物反应器的尺寸，从而显着降低从地球运输设备所需的有效载荷。
“我们还需要进行实验来证明蓝藻可以在火星条件下生长，”从事基于藻类过程分析的 Realff 说。“我们需要考虑火星上太阳光谱的差异，这是由于与太阳的距离和缺乏对阳光的大气过滤。高紫外线水平可能会损坏蓝藻。”
佐治亚理工学院团队强调，承认两颗行星之间的差异对于为 ISRU 在火星上生产燃料、食品和化学品开发高效技术至关重要。这就是为什么他们要解决研究中的生物和材料挑战，以努力为实现未来人类存在于地球以外的目标做出贡献。
“Peralta-Yahya 实验室擅长为合成生物学和生物技术寻找令人兴奋的新应用，解决可持续发展中令人兴奋的问题，”克鲁耶补充道。“在火星上应用生物技术是利用最少的起始材料利用有限的可用资源的完美方式。”
