Colonias espaciales: cómo la fotosíntesis artificial puede ser clave para la vida sostenida más allá de la Tierra

7 de junio de 2023

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por Katharina Brinkert, La conversación

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 sentada. 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 investigamos en un nuevo artículo, publicado en Nature Communications, los avances recientes en la realización de 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 hacer 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 de hidrógeno y 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 aproximadamente un tercio de la energía total necesaria para hacer funcionar todo el sistema de la ISS que respalda el "control ambiental y el soporte vital".

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 al proceso de fotosíntesis que ocurre 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 durante el proceso de captura de 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 serían viables para 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 estipulada de agua helada en el cráter lunar Shackleton, que es un sitio de aterrizaje anticipado en futuras misiones lunares.

En Marte, la atmósfera se compone de casi un 96 % de dióxido de carbono, lo que aparentemente es 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, ¿esto representaría 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 fiable de oxígeno y otros productos químicos, así como el reciclaje de dióxido de carbono a bordo de las naves espaciales y en los hábitats, es un desafío tremendo 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 entrada 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 que son necesarios varios años de intensa investigación para poder utilizar esta tecnología en el espacio. Copiar los fragmentos esenciales de la fotosíntesis de la naturaleza podría brindarnos algunas ventajas, ayudándonos a realizarlos en un futuro no muy lejano.

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 producir oxígeno. Pero los dispositivos de fotosíntesis artificial podrían usarse para producir hidrógeno o combustibles a base de carbono (en lugar de azúcares), abriendo una vía verde para la producción de sustancias químicas ricas en energía que podemos almacenar y usar 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.

Más información: Byron Ross et al, Evaluación de la viabilidad tecnológica de dispositivos fotoelectroquímicos para la producción de oxígeno y combustible en la Luna y Marte, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38676-2

Información del diario:Comunicaciones de la naturaleza

Proporcionado por La Conversación

Este artículo se vuelve a publicar de The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.