تدين الحياة على الأرض بوجودها لعملية التمثيل الضوئي - وهي عملية عمرها 2.3 مليار سنة. هذا التفاعل الرائع (والذي لا يزال غير مفهوم تمامًا) يمكّن النباتات والكائنات الحية الأخرى من جمع ضوء الشمس والماء وثاني أكسيد الكربون أثناء تحويلها إلى أكسجين وطاقة على شكل سكر.
يعتبر التمثيل الضوئي جزءًا لا يتجزأ من عمل الأرض لدرجة أننا نعتبره إلى حد كبير أمرًا مفروغًا منه. ولكن بينما ننظر إلى ما وراء كوكبنا بحثًا عن أماكن لاستكشافها واستقرارها ، فمن الواضح مدى ندرة وقيمة هذه العملية.
كما بحثت أنا وزملائي في ورقة جديدة ، نشرت في طبيعة الاتصالات، التطورات الأخيرة في التمثيل الضوئي الاصطناعي قد يكون مفتاحًا للبقاء والازدهار بعيدًا عن الأرض.
حاجة الإنسان للأكسجين تجعل السفر إلى الفضاء صعبًا. تحد قيود الوقود من كمية الأكسجين التي يمكننا حملها معنا ، خاصة إذا أردنا القيام برحلات طويلة المدى إلى القمر والمريخ. عادةً ما تستغرق الرحلة في اتجاه واحد إلى المريخ عامين ، مما يعني أنه لا يمكننا بسهولة إرسال إمدادات الموارد من الأرض.
توجد بالفعل طرق لإنتاج الأكسجين عن طريق إعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون في محطة الفضاء الدولية. يأتي معظم أكسجين محطة الفضاء الدولية من عملية تسمى "التحليل الكهربائي" ، والتي تستخدم الكهرباء من الألواح الشمسية للمحطة لتقسيم المياه في غاز الهيدروجين وغاز الأكسجين، والتي يستنشقها رواد الفضاء. كما أن لديها نظامًا منفصلاً لتحويل ثاني أكسيد الكربون الذي يتنفسه رواد الفضاء إلى ماء وميثان.
لكن هذه التقنيات غير موثوقة وغير فعالة وثقيلة وصعبة الصيانة. تتطلب عملية توليد الأكسجين ، على سبيل المثال ، حوالي ثلث إجمالي الطاقة اللازمة لتشغيل نظام محطة الفضاء الدولية بالكامل "التحكم البيئي ودعم الحياة".
طرق إلى الأمام
لذلك فإن البحث عن أنظمة بديلة يمكن استخدامها على القمر وفي الرحلات إلى المريخ مستمر. أحد الاحتمالات هو حصاد الطاقة الشمسية (المتوفرة بكثرة في الفضاء) واستخدامها مباشرة لإنتاج الأكسجين وإعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون في جهاز واحد فقط.
المدخل الآخر الوحيد في مثل هذا الجهاز هو الماء - على غرار التمثيل الضوئي في الطبيعة. من شأن ذلك الالتفاف على عمليات الإعداد المعقدة حيث يتم فصل عمليتي حصاد الضوء والإنتاج الكيميائي ، كما هو الحال في محطة الفضاء الدولية.
هذا مثير للاهتمام لأنه يمكن أن يقلل من وزن وحجم النظام - وهما معياران رئيسيان لاستكشاف الفضاء. لكنها ستكون أيضًا أكثر كفاءة.
يمكننا استخدام طاقة حرارية (حرارية) إضافية يتم إطلاقها أثناء التقاط الطاقة الشمسية مباشرة لتحفيز (إشعال) التفاعلات الكيميائية - وبالتالي تسريعها. علاوة على ذلك ، يمكن تقليل الأسلاك المعقدة والصيانة بشكل كبير.
أنتجنا ملف الإطار النظري لتحليل وتوقع أداء أجهزة "التمثيل الضوئي الاصطناعي" المتكاملة للتطبيقات على القمر والمريخ.
بدلاً من الكلوروفيل ، المسؤول عن امتصاص الضوء في النباتات والطحالب ، تستخدم هذه الأجهزة مواد شبه موصلة يمكن تغطيتها مباشرة بمحفزات معدنية بسيطة تدعم التفاعل الكيميائي المطلوب.
يُظهر تحليلنا أن هذه الأجهزة ستكون بالفعل قادرة على استكمال تقنيات دعم الحياة الحالية ، مثل مجموعة مولدات الأكسجين المستخدمة في محطة الفضاء الدولية. هذا هو الحال بشكل خاص عند دمجها مع الأجهزة التي تركز الطاقة الشمسية لتشغيل التفاعلات (بشكل أساسي المرايا الكبيرة التي تركز ضوء الشمس الوارد).
هناك طرق أخرى أيضًا. على سبيل المثال ، نستطيع تنتج الأكسجين مباشرة من تربة القمر (الثرى). لكن هذا يتطلب درجات حرارة عالية للعمل.
من ناحية أخرى ، يمكن أن تعمل أجهزة التمثيل الضوئي الاصطناعية في درجة حرارة الغرفة عند الضغوط الموجودة على المريخ والقمر. وهذا يعني أنه يمكن استخدامها مباشرة في الموائل واستخدام المياه كمورد رئيسي.
هذا مثير للاهتمام بشكل خاص نظرًا للوجود المحتمل لجليد الماء في حفرة شاكلتون، وهو موقع هبوط متوقع في البعثات القمرية المستقبلية.
على كوكب المريخ ، يتكون الغلاف الجوي من ما يقرب من 96 في المائة من ثاني أكسيد الكربون - وهو ما يبدو مثاليًا لجهاز التمثيل الضوئي الاصطناعي. لكن شدة الضوء على الكوكب الأحمر أضعف منها على الأرض بسبب المسافة الأكبر من الشمس.
إذن ، هل سيشكل هذا مشكلة؟ لقد حسبنا بالفعل شدة ضوء الشمس المتاحة على المريخ. أظهرنا أنه يمكننا بالفعل استخدام هذه الأجهزة هناك ، على الرغم من أن المرايا الشمسية أصبحت أكثر أهمية.
يعد الإنتاج الفعال والموثوق للأكسجين والمواد الكيميائية الأخرى وكذلك إعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون على متن المركبات الفضائية وفي الموائل تحديًا هائلاً نحتاج إلى إتقانه في مهام الفضاء طويلة الأجل.
تتطلب أنظمة التحليل الكهربائي الحالية ، التي تعمل في درجات حرارة عالية ، قدرًا كبيرًا من الطاقة. والأجهزة الخاصة بـ تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى أكسجين على المريخ لا يزالون في مهدهم، سواء كانت تعتمد على التمثيل الضوئي أم لا.
لذلك ، فإن عدة سنوات من البحث المكثف ضرورية لتكون قادرًا على استخدام هذه التكنولوجيا في الفضاء. يمكن أن يمنحنا نسخ الأجزاء الأساسية من عملية التمثيل الضوئي في الطبيعة بعض المزايا ويساعدنا على إدراكها في المستقبل غير البعيد.
استخدم في الفضاء وعلى الأرض
العوائد ستكون ضخمة. على سبيل المثال ، يمكننا في الواقع إنشاء أجواء اصطناعية في الفضاء وإنتاج المواد الكيميائية التي نحتاجها في مهمات طويلة المدى ، مثل الأسمدة أو البوليمرات أو الأدوية.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تساعدنا الأفكار التي نكتسبها من تصميم وتصنيع هذه الأجهزة في مواجهة تحدي الطاقة الخضراء على الأرض.
نحن محظوظون بما يكفي لوجود نباتات وطحالب لإنتاج الأكسجين. ولكن يمكن استخدام أجهزة التمثيل الضوئي الاصطناعي لإنتاج الهيدروجين أو الوقود القائم على الكربون (بدلاً من السكريات) ، مما يفتح طريقة أكثر اخضرارًا لإنتاج المواد الكيميائية الغنية بالطاقة التي نخزنها ونستخدمها في النقل.
إن استكشاف الفضاء واقتصاد الطاقة المستقبلي لدينا لهما هدف مشابه جدًا بعيد المدى: الاستدامة. قد تصبح أجهزة التمثيل الضوئي الاصطناعي جزءًا أساسيًا من تحقيق ذلك.
يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. إقرأ ال المقال الأصلي.
الصورة الائتمان: NASA / Clouds AO / SEArch
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون السيارات / المركبات الكهربائية ، كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- BlockOffsets. تحديث ملكية الأوفست البيئية. الوصول هنا.
- المصدر https://singularityhub.com/2023/06/26/space-colonies-artificial-photosynthesis-may-be-key-to-sustained-life-beyond-earth/
