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domingo, octubre 2, 2022
 

Científicos descubren una ruta biotecnológica para producir biocombustibles para cohetes en Marte

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Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han desarrollado un concepto que permitiría producir biocombustible para cohetes en Marte, de modo que las naves podrían reabastecerse en el planeta rojo para lanzar a futuros astronautas de regreso a la Tierra.

El proceso de bioproducción utilizaría tres recursos disponibles en Marte: dióxido de carbono, luz solar y agua congelada y dos microbios que habría que llevar desde nuestro planeta.

El primero de ellos, son las cianobacterias (algas), que tomarían CO2 de la atmósfera marciana y usarían la luz solar para crear azúcares. El otro, E. coli modificada por la biotecnología para convertir esos azúcares en un combustible para cohetes y otros dispositivos de propulsión.

El biocombustible marciano, que se llama 2,3-butanodiol, existe actualmente en la Tierra y se utiliza como insumo para fabricar polímeros intermedios para la producción de caucho.

El butanodiol también puede ser creado utilizando E. coli y su proceso se describe en un artículo publicado en la revista Nature Communications.

Hasta ahora los científicos preveían que los cohetes que despeguen de Marte en un futuro utilizarían metano y oxígeno líquido (LOX). Sin embargo, ninguno de esos dos compuestos existe en el planeta rojo, lo que significa que tendrían que ser transportados desde la Tierra para impulsar una nave espacial de regreso desde la órbita marciana. Ese transporte es caro: se estima que transportar las 30 toneladas necesarias de metano y LOX cuesta alrededor de U$S 8 mil millones.

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Para reducir este costo, la NASA ha propuesto el uso de catálisis química para convertir el dióxido de carbono marciano en LOX, aunque esto todavía requiere que el metano sea transportado desde la Tierra.

Como alternativa, los investigadores de Georgia Tech proponen una estrategia de utilización de recursos in situ basada en la biotecnología (bio-ISRU) que puede producir tanto el biocombustible como el LOX a partir de CO2. Los investigadores dicen que fabricar el biocombustible en Marte utilizando recursos marcianos podría ayudar a reducir el costo de la misión. Además, el proceso bio-ISRU genera 44 toneladas de exceso de oxígeno limpio que podría reservarse para otros fines, como apoyar la colonización humana.

«El dióxido de carbono es uno de los únicos recursos disponibles en Marte. Saber que la biología es especialmente buena para convertir CO2 en productos útiles hace que sea una buena opción para crear combustible para cohetes», dijo Nick Kruyer, primer autor del estudio y becario de la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech (ChBE).

El documento describe el proceso, que comienza transportando materiales plásticos a Marte que se ensamblarían en fotobiorreactores que ocupan el tamaño de cuatro campos de fútbol. Las cianobacterias crecerían en los reactores a través de la fotosíntesis (que requiere dióxido de carbono). Las enzimas en un reactor separado descompondrían las cianobacterias en azúcares. A través de un proceso de fermentación avanzado, la E. coli produciría el biocombustible de los cohetes que se separaría del caldo de fermentación utilizando métodos de separación avanzados.

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La investigación del equipo encuentra que la estrategia bio-ISRU requiere 32% menos de energía (pero pesa tres veces más) que la estrategia propuesta de enviar metano desde la Tierra y producir oxígeno a través de catálisis química.

Debido a que la gravedad en Marte es solo un tercio de lo que se siente en la Tierra, los investigadores pudieron ser creativos al pensar en combustibles potenciales.

«Se necesita mucha menos energía para despegar en Marte, lo que nos dio la flexibilidad de considerar diferentes sustancias químicas que no están diseñadas para el lanzamiento de cohetes en la Tierra», dijo Pamela Peralta-Yahya, autora correspondiente del estudio y  profesora asociada de la Facultad de Química y Bioquímica, especialista en el diseño de microbios para la producción de químicos. «Empezamos a considerar formas de aprovechar la menor gravedad del planeta y la falta de oxígeno para crear soluciones que no son acordes para los lanzamientos terrestres».

«El 2,3-butanodiol ha existido durante mucho tiempo, pero nunca pensamos en usarlo como combustible. Después del análisis y el estudio experimental preliminar, nos dimos cuenta de que en realidad es un buen candidato», dijo Wenting Sun, profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Aeroespacial Daniel Guggenheim, que trabaja con combustibles.

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El equipo ahora está buscando realizar la optimización biológica y de materiales identificada para reducir el peso del proceso bio-ISRU y hacerlo más liviano que el proceso químico propuesto. Por ejemplo, mejorar la velocidad a la que crecen las cianobacterias en Marte reducirá el tamaño del fotobiorreactor, lo que reducirá significativamente la carga útil necesaria para transportar el equipo desde la Tierra.

«También necesitamos realizar experimentos para demostrar que las cianobacterias se pueden cultivar en condiciones marcianas», dijo Realff, que trabaja en análisis de procesos basados ​​en algas. «Necesitamos considerar la diferencia en el espectro solar en Marte debido tanto a la distancia del Sol como a la falta de filtrado atmosférico de la luz solar. Los niveles altos de radiación ultravioleta podrían dañar las cianobacterias».

El equipo de Georgia Tech enfatiza que reconocer las diferencias entre los dos planetas es fundamental para desarrollar tecnologías eficientes para la producción ISRU de combustible, alimentos y productos químicos en Marte. Es por eso que están abordando los desafíos biológicos y materiales en el estudio en un esfuerzo por contribuir al objetivo de la presencia humana futura más allá de la Tierra.

«El laboratorio de Peralta-Yahya sobresale en la búsqueda de aplicaciones nuevas y emocionantes para la biología sintética y la biotecnología, abordando problemas emocionantes en sostenibilidad», agregó Kruyer. «La aplicación de la biotecnología en Marte es una manera perfecta de hacer uso de los recursos disponibles limitados con materiales de partida mínimos».

 
 
 
 
 
 
 

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