دراسة جديدة تحدد الخطوط العريضة لعملية التكنولوجيا الحيوية لإنتاج وقود الصواريخ على الكوكب الأحمر.

طور باحثون في معهد جورجيا للتكنولوجيا مفهومًا لإنتاج وقود الصواريخ على المريخ. يوم الثلاثاء، والتي يمكن استخدامها لإعادة رواد الفضاء المستقبليين إلى الأرض.

تستخدم عملية الإنتاج الحيوي ثلاثة موارد تنتمي إلى الكوكب الأحمر: ثاني أكسيد الكربون وضوء الشمس والمياه المجمدة. وهذا يشمل نقل اثنين من الميكروبات إلى المريخ. الأول هو البكتيريا الزرقاء (الطحالب) ، التي تأخذ ضوء الشمس من الغلاف الجوي للمريخ وتستخدم ضوء الشمس لصنع السكريات. إن الإشريكية القولونية المحفورة المرسلة من الأرض ستحول تلك السكريات إلى الدافع المحدد للمريخ للصواريخ وأجهزة الدفع الأخرى. الدافع للمريخ ، المعروف باسم 2،3-بوتاناديول ، موجود ، ويمكن أن يتولد عن طريق الإشريكية القولونية ، ويستخدم لصنع البوليمرات لإنتاج المطاط على الأرض.

تم تحديد العملية في ورقة ، “تصميم الإنتاج الحيوي لدفع صاروخ المريخ من خلال استراتيجية استخدام الموارد في الموقع مدفوعة بالتكنولوجيا الحيوية”. الاتصال الطبيعي.

مناظر Mastcam-Z 'Santa Cruz' على كوكب المريخ

يصور المسبار المتجول المريخ التابع لناسا جيسيرو جريتر على سطح المريخ. الائتمان: NASA / JPL-Caltech / ASU / MSSS

تم التخطيط حاليًا لمحركات الصواريخ المغادرة من المريخ لتزود بالميثان والأكسجين السائل (LOX). لا يوجد شيء على الكوكب الأحمر ، مما يعني أنه يجب حملها من الأرض لتشغيل المركبة الفضائية العائدة إلى مدار المريخ. كانت تكلفة النقل مرتفعة: سيكلف ما يقدر بنحو 8 مليارات دولار لنقل 30 طنًا من الميثان و LOX بالقوارب. لتقليل هذه التكلفة ، ناسا يقترح المريخ استخدام محفز كيميائي لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى LOX ، على الرغم من أن الميثان لا يزال بحاجة إلى النقل من الأرض.

بدلاً من ذلك ، يقترح باحثو التكنولوجيا في جورجيا تقنية حيوية تعتمد على استراتيجية استخدام الموارد في الموقع (Bio-ISRU) ، والتي يمكن أن تولد كلًا من الزخم و LOX من ثاني أكسيد الكربون. يقول الباحثون إن بناء الزخم على المريخ سيساعد في تقليل تكاليف السفر. بالإضافة إلى ذلك ، تنتج عملية ISRU الحيوية 44 طنًا من الأكسجين الزائد ، والتي يمكن وضعها جانبًا لأغراض أخرى ، مثل دعم الاستعمار البشري.

باميلا بيرالتا يحيى

“تحتاج إلى القليل جدًا من الطاقة للانطلاق على سطح المريخ ، مما يمنحك المرونة للنظر في العديد من المواد الكيميائية غير المصممة لإطلاق الصواريخ على الأرض.” – باميلا بيرالتا يحيى. الائتمان: جورجيا تك

قال نيك كروير ، المؤلف الأول للدراسة وحاصل على درجة الدكتوراه حديثًا: “إن ثاني أكسيد الكربون هو أحد الموارد الوحيدة على كوكب المريخ. إن معرفة أن علم الأحياء أفضل في تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مواد مفيدة يجعل الأمر أكثر ارتباطًا بتطوير وقود الصواريخ”. مُستلم من مدرسة جورجيا التقنية للهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية (ChBE).

تحدد الورقة العملية التي تبدأ بنقل الأجسام البلاستيكية إلى المريخ ، والتي تشغل حجم أربعة ملاعب كرة قدم ويتم دمجها في علماء الأحياء الضوئية. تنمو البكتيريا الزرقاء في الأفران عن طريق التمثيل الضوئي (الذي يتطلب ثاني أكسيد الكربون). تقوم الإنزيمات الموجودة في مفاعل واحد بتفكيك البكتيريا الزرقاء إلى سكريات وتعطيها لبكتيريا E. coli لإنتاج دفع صاروخي. يتم فصل الدافع عن مرق التخمير E. coli باستخدام طرق الفصل المتقدمة.

وجد بحث الفريق أن إستراتيجية ISRU الحيوية تستخدم طاقة أقل بنسبة 32٪ (ولكن ثلاثة أضعاف الوزن) من التقنية المُفعّلة كيميائياً المقترحة لنقل الميثان من الأرض وإنتاج الأكسجين من خلال التفاعلات الكيميائية.

نظرًا لأن جاذبية المريخ لا تمثل سوى ثلث ما نشعر به على الأرض ، فقد تمكن الباحثون من أن يكونوا مبدعين لأنهم فكروا في وقود محتمل.

علماء الأحياء الضوئية الثلاثاء

يمكن لعلماء الأحياء الضوئية بحجم أربعة ملاعب كرة قدم مغطاة بالبكتيريا الزرقاء أن تنتج وقودًا صاروخيًا على المريخ. الائتمان: مراجعة Pogo Mobile

قالت باميلا بيرالتا يحيى ، مؤلفة مشاركة ومؤلفة مشاركة في الدراسة: “تحتاج إلى القليل جدًا من الطاقة للانطلاق إلى المريخ ، مما أعطانا المرونة للنظر في العديد من المواد الكيميائية غير المصممة لإطلاق الصواريخ على الأرض”. أستاذ في كلية الكيمياء والكيمياء الحيوية ومهندس الأحياء الدقيقة لإنتاج كيماويات ChBE. “بدأنا في التفكير في طرق لاستغلال الجاذبية المنخفضة للكوكب ونقص الأكسجين لإيجاد حلول غير مناسبة لإطلاق الأرض.”

قال دانييل كوجنهايم ، الأستاذ المساعد في المدرسة ، “إن 2،3-butanadiol موجود منذ فترة طويلة ، لكننا لم نفكر أبدًا في استخدامه كمحفز. بعد التحليل والاختبار الأولي ، أدركنا أنه كان مرشحًا جيدًا حقًا”. قسم هندسة الطيران الذي يعمل على الوقود.

READ  يبدو مركز مجرة ​​درب التبانة وكأنه عمل فني

ينتشر فريق Georgia Tech عبر الحرم الجامعي. توصل الكيميائيون والمهندسون الكيميائيون والميكانيكيون والفضائيون إلى فكرة وعملية إنشاء وقود المريخ. بالإضافة إلى كروير وبيرالتا يحيى وصن ، كان جورج دبليو ضمن الفريق. كارولين جينسيلي ، خبيرة احتراق وأستاذة مساعدة في كلية وودروف للهندسة الميكانيكية ، وزميل ديفيد وانج الأب ، أستاذ في ChBE. خبير في حزمة العملية والتصميم.

كارولين جينسيلي وماثيو ريلف والشمس التنفيس.

كارولين جينسيلي وماثيو ريلف والشمس التنفيس. الائتمان: جورجيا تك

يتطلع الفريق الآن إلى تحسين علم الأحياء والمواد المحددة لتقليل وزن عملية ISRU الحيوية وجعلها أسهل من العملية الكيميائية المقترحة. على سبيل المثال ، سيؤدي تحسين السرعة التي تنمو بها البكتيريا الزرقاء على المريخ إلى تقليل حجم الفترة الضوئية ويقلل بشكل كبير من الحمولة المطلوبة لنقل المعدات من الأرض.

قال ريلف ، الذي يعمل على تحليل العمليات القائم على الطحالب: “نحتاج إلى إجراء تجارب لإثبات أن البكتيريا الزرقاء يمكن أن تنمو في تربة المريخ”. “نحن بحاجة إلى النظر في الاختلاف في الطيف الشمسي على المريخ بسبب المسافة من الشمس ونقص الترشيح الجوي لأشعة الشمس. مستويات الأشعة فوق البنفسجية العالية يمكن أن تلحق الضرر بالبكتيريا الزرقاء.

يؤكد فريق Georgia Tech على أنه من المهم الاعتراف بالاختلافات بين الكوكبين من أجل تطوير تقنيات فعالة لإنتاج ISRU للوقود والغذاء والمواد الكيميائية على المريخ. هذا هو السبب في أنهم يعالجون التحديات البيولوجية والمادية في الدراسة في محاولة للمساهمة في هدف الوجود البشري المستقبلي خارج الأرض.

قال كروير: “يتفوق مختبر بيرالتا يحيى في اكتشاف تطبيقات جديدة ومثيرة للبيولوجيا الاصطناعية والتكنولوجيا الحيوية ، ويعالج قضايا مذهلة في مجال الاستدامة”. “إن استخدام التكنولوجيا الحيوية على كوكب المريخ هو الطريقة المثلى للاستفادة من الموارد المحدودة المتاحة مع مواد بدء التشغيل المنخفضة.”

READ  تم العثور على "دوائر راديو غريبة" غامضة في الفضاء ، وعروض أفلام جديدة

ملاحظة: نيكولاس س. كروير ، ماثيو ج. رالف ، تنفيس صن ، كارولين ل. جنسيل وباميلا بيرالتا يحيى ، 2021 ، أكتوبر 20215 ، 2021 ، أكتوبر 202115 الاتصال الطبيعي.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26393-7

حصل البحث على جائزة NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC).

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here