Colonie spaziali: come la fotosintesi artificiale può essere la chiave per la vita sostenuta oltre la Terra

7 giugno 2023

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di Katharina Brinkert, La conversazione

La vita sulla Terra deve la sua esistenza alla fotosintesi, un processo che risale a 2,3 miliardi di anni fa. Questa reazione estremamente affascinante (e ancora non del tutto compresa) consente alle piante e ad altri organismi di raccogliere luce solare, acqua e anidride carbonica convertendoli in ossigeno ed energia sotto forma di zucchero.

La fotosintesi è una parte così integrante del funzionamento della Terra che la diamo praticamente per scontata. Ma se guardiamo oltre il nostro pianeta alla ricerca di luoghi da esplorare e in cui stabilirci, è ovvio quanto sia raro e prezioso questo processo.

Come io e i miei colleghi abbiamo indagato in un nuovo articolo, pubblicato su Nature Communications, i recenti progressi nella realizzazione della fotosintesi artificiale potrebbero essere fondamentali per sopravvivere e prosperare lontano dalla Terra.

Il bisogno umano di ossigeno rende complicati i viaggi nello spazio. I limiti di carburante limitano la quantità di ossigeno che possiamo portare con noi, in particolare se vogliamo fare viaggi a lungo raggio verso la Luna e Marte. Un viaggio di sola andata su Marte dura solitamente circa due anni, il che significa che non possiamo inviare facilmente rifornimenti di risorse dalla Terra.

Esistono già modi per produrre ossigeno riciclando l’anidride carbonica sulla Stazione Spaziale Internazionale. La maggior parte dell'ossigeno della ISS proviene da un processo chiamato "elettrolisi", che utilizza l'elettricità dei pannelli solari della stazione per dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno, che gli astronauti respirano. Dispone inoltre di un sistema separato che converte l'anidride carbonica respirata dagli astronauti. fuori in acqua e metano.

Ma queste tecnologie sono inaffidabili, inefficienti, pesanti e difficili da mantenere. Il processo di generazione dell'ossigeno, ad esempio, richiede circa un terzo dell'energia totale necessaria per far funzionare l'intero sistema della ISS che supporta il "controllo ambientale e il supporto vitale".

È quindi continua la ricerca di sistemi alternativi da impiegare sulla Luna e nei viaggi su Marte. Una possibilità è quella di raccogliere l’energia solare (che è abbondante nello spazio) e utilizzarla direttamente per la produzione di ossigeno e il riciclaggio di anidride carbonica in un solo dispositivo.

L’unico altro input in un dispositivo del genere sarebbe l’acqua, simile al processo di fotosintesi che avviene in natura. Ciò eviterebbe configurazioni complesse in cui i due processi di raccolta della luce e produzione chimica sono separati, come sulla ISS.

Ciò è interessante in quanto potrebbe ridurre il peso e il volume del sistema, due criteri chiave per l’esplorazione spaziale. Ma sarebbe anche più efficiente.

Potremmo utilizzare l’energia termica (calore) aggiuntiva rilasciata durante il processo di cattura dell’energia solare direttamente per catalizzare (accendere) le reazioni chimiche, accelerandole così. Inoltre, la complessità dei cablaggi e della manutenzione potrebbe essere notevolmente ridotta.

Abbiamo prodotto un quadro teorico per analizzare e prevedere le prestazioni di tali dispositivi integrati di "fotosintesi artificiale" per applicazioni sulla Luna e su Marte.

Al posto della clorofilla, responsabile dell'assorbimento della luce nelle piante e nelle alghe, questi dispositivi utilizzano materiali semiconduttori che possono essere rivestiti direttamente con semplici catalizzatori metallici che supportano la reazione chimica desiderata.

La nostra analisi mostra che questi dispositivi sarebbero effettivamente utilizzabili per integrare le tecnologie di supporto vitale esistenti, come il gruppo generatore di ossigeno impiegato sulla ISS. Ciò è particolarmente vero se combinato con dispositivi che concentrano l'energia solare per alimentare le reazioni (essenzialmente grandi specchi che focalizzano la luce solare in arrivo).