كيف يمكن أن يكون التمثيل الضوئي الاصطناعي مفتاحًا لاستدامة الحياة خارج الأرض

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 الأخرى من جمع ضوء الشمس والماء وثاني أكسيد الكربون مع 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 والاستقرار فيها ، فمن الواضح مدى ندرة وقيمة هذه العملية.

كما بحثت أنا وزملائي في ورقة بحثية جديدة نُشرت في مجلة Nature Communications ، فإن التطورات الحديثة في عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي قد تكون 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 بالمحطة لتقسيم الماء إلى غاز الهيدروجين وغاز الأكسجين ، والذي يستنشقه رواد الفضاء. كما أن لديها نظامًا منفصلاً لتحويل ثاني أكسيد الكربون الذي يتنفسه رواد الفضاء في الماء والميثان.

لكن هذه التقنيات غير موثوقة وغير فعالة وثقيلة ويصعب صيانتها. تتطلب عملية توليد الأكسجين ، على سبيل المثال ، حوالي ثلث إجمالي الطاقة اللازمة لتشغيل نظام ISS بأكمله لدعم “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 عملية التمثيل الضوئي التي تحدث 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 عملية التقاط الطاقة الشمسية مباشرة لتحفيز (إشعال) التفاعلات الكيميائية – وبالتالي تسريعها. علاوة على ذلك ، يمكن تقليل الأسلاك المعقدة والصيانة بشكل كبير.

أنتجنا إطارًا نظريًا 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 قادرة بالفعل 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 من أجل تشغيل التفاعلات (بشكل أساسي المرايا الكبيرة التي تركز ضوء الشمس الوارد).

هناك طرق أخرى أيضًا. على سبيل المثال ، يمكننا إنتاج 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 بالنظر إلى الوجود المنصوص عليه للمياه الجليدية في فوهة شاكلتون القمرية ، وهي موقع هبوط متوقع في البعثات القمرية المستقبلية.

على كوكب المريخ ، يتكون الغلاف الجوي من ما يقرب من 96٪ 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.

فهل هذا يطرح 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 بالإضافة إلى إعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون على متن المركبات الفضائية وفي الموائل تحديًا هائلاً نحتاج إلى إتقانه في مهام الفضاء طويلة المدى.

تتطلب أنظمة التحليل الكهربائي الحالية ، التي تعمل في درجات حرارة عالية ، قدرًا كبيرًا من مدخلات الطاقة. ولا تزال أجهزة تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى أكسجين على سطح المريخ في مهدها ، سواء كانت قائمة على التمثيل الضوئي أم لا.

لذا فإن عدة سنوات من البحث المكثف ضرورية لتكون قادرًا على استخدام هذه التكنولوجيا في الفضاء. قد يمنحنا نسخ الأجزاء الأساسية من عملية التمثيل الضوئي للطبيعة بعض المزايا ، مما يساعدنا على إدراكها في المستقبل غير البعيد.

العوائد ستكون ضخمة. على سبيل المثال ، يمكننا في الواقع إنشاء أجواء اصطناعية في الفضاء وإنتاج المواد الكيميائية التي نحتاجها في مهام طويلة الأجل ، 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 لأن لدينا نباتات وطحالب لإنتاج الأكسجين. ولكن يمكن استخدام أجهزة التمثيل الضوئي الاصطناعي لإنتاج الهيدروجين أو الوقود القائم على الكربون (بدلاً من السكريات) ، مما يفتح طريقًا أخضر لإنتاج المواد الكيميائية الغنية بالطاقة التي يمكننا تخزينها واستخدامها 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.