Астрономія
Астрономія

Ціанобактерії і кишкові палички допоможуть повернутися з Марса

Дослідники інститут Джорджії запропонували нову концепцію забезпечення майбутніх колонізаторів Марса шансом на повернення на Землю. Замість доставки ракетного палива з Землі, вони пропонують привезти з собою ціанобактерії та кишкову паличку. Вони перетворять вуглекислий газ Червоної планети на 2,3-бутандіол, генеруючи при цьому до 20 тонн надлишкового кисню, який також можна використовувати. Як бактерії зможуть допомогти земному життю на Марсі, вчені розповіли у Nature Communications.

«Марсіянин» / Twentieth Century Fox, 2015

«Марсіянин» / Twentieth Century Fox, 2015

Що заважає нам переселитися на Марс?

Зважаючи на успіх більшості марсіанських місій та добре самопочуття відправлених на планету роверів, перспективи появи на ній людей стають все ближчими. Однак, перш ніж перебиратися на Марс на постійне місце проживання, людям все ж потрібно розв'язати низку проблем. По-перше, забезпечити себе захистом від впливу космічного випромінювання, сонячних частинок і частих ударів мікрометеорів, чого магнітосфера Марса зробити не може. По-друге, варто знайти спосіб максимально використовувати саме надані планетою ресурси, адже доставка з Землі зробить переїзд просто економічно не вигідним. Позаорбітальна доставка займе принаймні 26 місяців та не один десяток тисяч доларів. І саме звідси випливає чи не найголовніше завдання — знайти спосіб забезпечити астронавтів паливом для повернення додому.

Як повернутися з Марса?

Щоб відірватися від поверхні Марса, злітному апарату знадобиться щонайменше 30 тонн метану і рідкого кисню, що означає щонайменше 500 тонн корисного навантаження і щонайменше вісім мільярдів доларів, за умови, що ми везтимемо їх із Землі. І тому дослідники шукають стратегії, за яких ракетне паливо вдасться виготовляти безпосередньо на Червоній планеті. Втім, особливості Марсіанської атмосфери доволі спрощують вченим це завдання.

По-перше, у Марса всього 38 відсотків сили тяжіння Землі, а тому паливо для зльоту вимагатиме нижчої щільності енергії. Низький рівень кисню у марсіанській атмосфері також дозволяє використовувати кисневмісні сполуки для палива. Так, наприклад, якщо метан вимагає масового відношення кисню до палива 4: 1, метанол вже 1,5: 1 для повного згоряння. І навіть з огляду на те, що присутність атомів кисню знижує теплотворну здатність палива, низька гравітація Марса дозволяє це компенсувати. Тож з огляду на все це вчені технологічного інституту Джорджії пропонують використовувати на Марсі специфічне паливо 2,3-бутандіол, менша ефективність якого в умовах Марса залишиться непоміченою.

Так NASA уявляє собі майбутні марсіанські колонії / NASA

Так NASA уявляє собі майбутні марсіанські колонії / NASA

До чого тут бактерії?

Оскільки головною вимогою до майбутнього палива є використання мінімуму земних ресурсів та максимум марсіанських, вчені все більше схиляються до біостратегій використання можливостей Марса. Річ у тім, що для того аби отримати на Марсі метан і кисень, вченим необхідно мінімум три хімічні процеси: електроліз твердого оксиду вуглецю, для перетворення марсіанського вуглекислого газу в кисень, реакція Сабатьє для перетворення водню та вуглекислого газу в метан та електроліз води з утворенням водню.

І, наприклад, поширені у земних болотах метаногени перетворюють вуглекислий газ у метан з чистотою 96 відсотків. Тобто біореактор об'ємом 5,66 літра забезпечує ту ж годинну продуктивність виробництва метану, що і реактор на основі реакції Сабатьє об'ємом у півтора літра, який зараз використовують на МКС. А ціанобактерії, що фотосинтезують, переробляють вуглекислий газ і сонячне світло, виділяючи не змішаний з монооксидом вуглецю кисень.

Тим не менш, асортимент хімічних речовин, що виробляються ними, на кілька порядків менше, ніж у біосинтетичних гетеротрофів Escherichia coli і Saccharomyces cerevisiae, яких зараз активно використовують у хімічній промисловості. І вчені в новій роботі вважають, що замість того, щоб змушувати автотрофів вловлювати вуглекислий газ і перетворювати його на паливо, їх потрібно використовувати як джерело їжі для більш продуктивних гетеротрофів.

Як кишкова паличка допоможе повернутися з Марса?

Дослідники пропонують об'єднати ціанобактерії та модифіковану кишкову паличку для виробництва специфічного для Марсу ракетного палива — 2,3-бутандіолу. Так ціанобактерії будуть уловлювати марсіанський вуглекислий газ і перетворювати його на прості цукри — основні поживні речовини для E. coli, які вона перетворить на 2,3-бутандіол. А враховуючи, що в процесі також вироблятиметься не менше 20 тонн надлишкового кисню, який також можна використовувати, ця система має явну хімічну перевагу.

Схема ферми бактерій, які вироблятимуть паливо і кисень / BOKO mobile study

Схема ферми бактерій, які вироблятимуть паливо і кисень / BOKO mobile study

Необхідні ціанобактерії A. platensis азот і фосфор вчені пропонують доставити із Землі, хоча й розглядають варіанти і з використанням марсіанського реголіту (що поки що потребує окремої інфраструктури). Житимуть бактерії у фотобіореакторах у температурі до 25 градусів Цельсія. Це набагато менше, ніж їм необхідно, проте достатньо зростання. Їх захищатимуть від ультрафіолетового випромінювання, яке створює ризик генетичних мутацій, а от із радіацією вони здатні впоратися й самі.

Вміст кисню в структурі палива знижує кількість необхідного рідкого кисню, що робить кисневмісні сполуки (наприклад, спирти, діоли) кращими для використання на Марсі. І тому дослідники і вирішили взятися за 2,3-бутандіол. Він продукується в E. coli з найвищою ефективністю, що призведе до зменшення необхідної площі ферми ціанобактерій та меншої кількості побічних продуктів ферментації, що спростить очищення. Запропонована стратегія використовує на 32 відсотки менше енергії, ніж схема доставки метану із Землі та отримання кисню за допомогою хімічного каталізу. Наразі дослідники шукають спосіб оптимізувати свою систему, щоб знизити вагу необхідного для доставки на Марс обладнання.

Також раніше ми розповідали, що для життя на Марсі вчені пропонують використовувати кров та піт самих астронавтів — з них можна виготовити житло. А для ціанобактерій вже знайшли спосіб вирощувати їх навіть в умовах низького тиску із використанням типових для марсіанської атмосфери газів. Втім, п'ять годин у марсіанських умовах витримали і спори грибів та бактерії (однак, для вчених це погана новина, адже тепер вони можуть забруднювати Марс). А всьому іншому живому, що коли-небудь потрапляло чи потрапить на Марс планетологи знайшли захист від радіації у печерах, де Сонця вистачить навіть для життя земних фототрофів.

метаногени
археї, які виробляють метан як метаболічний побічний продукт
гетеротрофів
не можуть синтезувати органічні речовини з неорганічних
автотрофів
можуть синтезувати органічні речовини з неорганічних

Фото в анонсі: Martian / Twentieth Century Fox, 2015