Eine neue Studie skizziert ein biotechnologisches Verfahren zur Herstellung von Raketentreibstoff auf dem Roten Planeten.
Forscher des Georgia Institute of Technology haben ein Konzept entwickelt, das Mars-Raketentreibstoff herstellen würde Mars, die verwendet werden könnte, um zukünftige Astronauten zurück zur Erde zu bringen.
Der Bioproduktionsprozess würde drei Ressourcen des Roten Planeten verwenden: Kohlendioxid, Sonnenlicht und gefrorenes Wasser. Dazu gehört auch der Transport von zwei Mikroben zum Mars. Die erste wären Cyanobakterien (Algen), die CO2 aus der Marsatmosphäre aufnehmen und Sonnenlicht verwenden, um Zucker herzustellen. Ein manipulierter E. coli, der von der Erde verschifft werden würde, würde diese Zucker in einen Mars-spezifischen Treibstoff für Raketen und andere Antriebsvorrichtungen umwandeln. Der Mars-Treibstoff, der 2,3-Butandiol genannt wird, existiert derzeit, kann von E. coli erzeugt werden und wird auf der Erde zur Herstellung von Polymeren zur Herstellung von Kautschuk verwendet.
Der Prozess wird in einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel “Designing the bioproduction of Martian rocket propellant via a biotechnology-enabled in situ resource use strategy” beschrieben Naturkommunikation.
Ein Foto des Jezero-Kraters auf dem Mars, aufgenommen vom Mars-Rover Perseverance der NASA. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS
Raketentriebwerke, die den Mars verlassen, sollen derzeit mit Methan und flüssigem Sauerstoff (LOX) betrieben werden. Beide existieren auf dem Roten Planeten nicht, was bedeutet, dass sie von der Erde transportiert werden müssten, um eine Rückflugsonde in die Umlaufbahn des Mars zu bringen. Dieser Transport ist teuer: Der Transport der benötigten 30 Tonnen Methan und LOX wird auf rund 8 Milliarden US-Dollar geschätzt. Um diese Kosten zu reduzieren, NASA hat vorgeschlagen, die chemische Katalyse zu verwenden, um das Kohlendioxid des Mars in LOX umzuwandeln, obwohl dies immer noch den Transport von Methan von der Erde erfordert.
Als Alternative schlagen Forscher von Georgia Tech eine biotechnologiebasierte Strategie zur In-situ-Ressourcennutzung (Bio-ISRU) vor, die sowohl das Treibmittel als auch LOX aus CO2 herstellen kann. Die Forscher sagen, dass die Herstellung des Treibstoffs auf dem Mars mit Ressourcen des Mars dazu beitragen könnte, die Missionskosten zu senken. Darüber hinaus erzeugt der Bio-ISRU-Prozess 44 Tonnen überschüssigen sauberen Sauerstoff, der für andere Zwecke verwendet werden könnte, beispielsweise zur Unterstützung der menschlichen Besiedlung.
„Sie brauchen viel weniger Energie für den Start auf dem Mars, was uns die Flexibilität gab, verschiedene Chemikalien zu berücksichtigen, die nicht für den Raketenstart auf der Erde bestimmt sind.“ — Pamela Peralta-Yahya. Bildnachweis: Georgia Tech
„Kohlendioxid ist eine der wenigen verfügbaren Ressourcen auf dem Mars. Das Wissen, dass die Biologie besonders gut darin ist, CO2 in nützliche Produkte umzuwandeln, macht sie zu einer guten Lösung für die Herstellung von Raketentreibstoff“, sagte Nick Kruyer, Erstautor der Studie und kürzlich promovierter Wissenschaftler. Stipendiat der Georgia Tech School of Chemical and Biomolecular Engineering (ChBE).
Das Papier skizziert den Prozess, der mit dem Transport von Kunststoffmaterialien zum Mars beginnt, die zu Photobioreaktoren von der Größe von vier Fußballfeldern zusammengebaut werden. Cyanobakterien würden in den Reaktoren durch Photosynthese (die Kohlendioxid erfordert) wachsen. Enzyme in einem separaten Reaktor würden die Cyanobakterien in Zucker zerlegen, die den E. coli zugeführt werden könnten, um den Raketentreibstoff herzustellen. Das Treibmittel würde unter Verwendung fortschrittlicher Trennverfahren von der E. coli-Fermentationsbrühe getrennt werden.
Die Forschung des Teams ergab, dass die Bio-ISRU-Strategie 32 % weniger Strom verbraucht (aber dreimal mehr wiegt) als die vorgeschlagene chemisch aktivierte Strategie, Methan von der Erde zu transportieren und Sauerstoff durch chemische Katalyse zu produzieren.
Da die Gravitation auf dem Mars nur ein Drittel dessen ausmacht, was auf der Erde zu spüren ist, konnten die Forscher kreativ sein, wenn sie an potenzielle Brennstoffe dachten.
Photobioreaktoren von der Größe von vier Fußballfeldern, bedeckt mit Cyanobakterien, könnten Raketentreibstoff auf dem Mars produzieren. Quelle: BOKO mobile Studie
„Sie brauchen viel weniger Energie für den Start auf dem Mars, was uns die Flexibilität gab, verschiedene Chemikalien zu berücksichtigen, die nicht für den Raketenstart auf der Erde bestimmt sind“, sagte Pamela Peralta-Yahya, korrespondierende Autorin der Studie und Mitarbeiterin Professor an der School of Chemistry & Biochemistry und ChBE, der Mikroben für die Herstellung von Chemikalien entwickelt. „Wir begannen darüber nachzudenken, wie wir die geringere Schwerkraft des Planeten und den Sauerstoffmangel nutzen können, um Lösungen zu entwickeln, die für Starts auf der Erde nicht relevant sind.“
„2,3-Butandiol gibt es schon lange, aber wir haben nie daran gedacht, es als Treibmittel zu verwenden. Nach Analyse und vorläufiger experimenteller Studie haben wir festgestellt, dass es tatsächlich ein guter Kandidat ist“, sagte Wenting Sun, außerordentlicher Professor an der Daniel Guggenheim School of Aerospace Engineering, der an Kraftstoffen arbeitet.
Das Georgia Tech-Team erstreckt sich über den Campus. Chemiker, Chemie-, Maschinenbau- und Luft- und Raumfahrtingenieure kamen zusammen, um die Idee und den Prozess zu entwickeln, um einen brauchbaren Mars-Brennstoff herzustellen. Neben Kruyer, Peralta-Yahya und Sun gehörten Caroline Genzale, Verbrennungsexpertin und außerordentliche Professorin an der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, und Matthew Realff, Professor und David Wang Sr. Fellow in ChBE, zu der Gruppe ist Experte für Prozesssynthese und -design.
Caroline Genzale, Matthew Realff und Wenting Sun. Bildnachweis: Georgia Tech
Das Team versucht nun, die identifizierte biologische und stoffliche Optimierung durchzuführen, um das Gewicht des Bio-ISRU-Prozesses zu reduzieren und ihn leichter als den vorgeschlagenen chemischen Prozess zu machen. Zum Beispiel wird eine Verbesserung der Wachstumsgeschwindigkeit von Cyanobakterien auf dem Mars die Größe des Photobioreaktors reduzieren und die Nutzlast, die für den Transport der Ausrüstung von der Erde erforderlich ist, erheblich senken.
„Wir müssen auch Experimente durchführen, um zu zeigen, dass Cyanobakterien unter Marsbedingungen gezüchtet werden können“, sagte Realff, der an algenbasierten Prozessanalysen arbeitet. „Wir müssen den Unterschied im Sonnenspektrum auf dem Mars berücksichtigen, sowohl aufgrund der Entfernung von der Sonne als auch aufgrund fehlender atmosphärischer Filterung des Sonnenlichts. Hohe UV-Werte könnten die Cyanobakterien schädigen.“
Das Georgia Tech-Team betont, dass die Anerkennung der Unterschiede zwischen den beiden Planeten entscheidend für die Entwicklung effizienter Technologien für die ISRU-Produktion von Treibstoff, Nahrungsmitteln und Chemikalien auf dem Mars ist. Aus diesem Grund gehen sie in der Studie die biologischen und materiellen Herausforderungen an, um zum Ziel einer zukünftigen menschlichen Präsenz jenseits der Erde beizutragen.
„Das Labor von Peralta-Yahya zeichnet sich dadurch aus, dass es neue und spannende Anwendungen für die synthetische Biologie und Biotechnologie findet und spannende Probleme der Nachhaltigkeit angeht“, fügte Kruyer hinzu. „Die Anwendung der Biotechnologie auf dem Mars ist eine perfekte Möglichkeit, begrenzt verfügbare Ressourcen mit minimalen Ausgangsmaterialien zu nutzen.“
Referenz: „Designing the bioproduction of Martian rocket propellant via a biotechnology-enabled in situ resource use strategy“ von Nicholas S. Kruyer, Matthew J. Realff, Wenting Sun, Caroline L. Genzale und Pamela Peralta-Yahya, 25. Oktober 2021, Naturkommunikation.
DOI: 10.1038/s41467-021-26393-7
Die Forschung wurde durch einen NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) Award unterstützt.