Als mensen ooit hopen Mars te koloniseren, de kolonisten zullen op de planeet een enorm scala aan organische verbindingen moeten produceren, van brandstoffen tot medicijnen, die te duur zijn om vanaf de aarde te verzenden.

Universiteit van Californië, Berkeley, en Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) chemici hebben daar een plan voor.

De afgelopen acht jaar heeft de onderzoekers hebben gewerkt aan een hybride systeem dat bacteriën en nanodraden combineert die de energie van zonlicht kunnen opvangen om koolstofdioxide en water om te zetten in bouwstenen voor organische moleculen. Nanodraden zijn dunne siliciumdraden van ongeveer een honderdste van de breedte van een mensenhaar, gebruikt als elektronische componenten, en ook als sensoren en zonnecellen.

"Op Mars, ongeveer 96% van de atmosfeer is CO2. In principe, alles wat je nodig hebt zijn deze silicium halfgeleider nanodraden om de zonne-energie op te nemen en door te geven aan deze insecten om de chemie voor je te doen, " zei projectleider Peidong Yang, hoogleraar scheikunde en de S.K. en Angela Chan Distinguished Chair in Energy aan de UC Berkeley. "Voor een diepe ruimtemissie, u geeft om het gewicht van de lading, en biologische systemen hebben het voordeel dat ze zichzelf reproduceren:je hoeft niet veel te verzenden. Daarom is onze biohybride versie zeer aantrekkelijk."

De enige andere vereiste, behalve zonlicht, is water, die op Mars relatief veel voorkomt in de poolijskappen en waarschijnlijk boven het grootste deel van de planeet onder de grond ligt, zei Yang, die een senior faculteitswetenschapper is bij Berkeley Lab en directeur van het Kavli Energy Nanoscience Institute.

De biohybride kan ook koolstofdioxide uit de lucht op aarde halen om organische verbindingen te maken en tegelijkertijd klimaatverandering aan te pakken, die wordt veroorzaakt door een teveel aan door de mens geproduceerde CO2 in de atmosfeer.

In een nieuw artikel dat op 31 maart in het tijdschrift wordt gepubliceerd Joule , de onderzoekers melden een mijlpaal in het inpakken van deze bacteriën (Sporomusa ovata) in een "bos van nanodraden" om een ​​recordefficiëntie te bereiken:3,6% van de binnenkomende zonne-energie wordt omgezet en opgeslagen in koolstofbindingen, in de vorm van een twee-koolstofmolecuul genaamd acetaat:in wezen azijnzuur, of azijn.

Acetaatmoleculen kunnen dienen als bouwstenen voor een reeks organische moleculen, van brandstoffen en kunststoffen tot medicijnen. Veel andere biologische producten kunnen worden gemaakt van acetaat in genetisch gemanipuleerde organismen, zoals bacteriën of gisten.

Het systeem werkt als fotosynthese, die planten van nature gebruiken om koolstofdioxide en water om te zetten in koolstofverbindingen, meestal suiker en koolhydraten. Planten, echter, een vrij laag rendement hebben, waarbij doorgaans minder dan een half procent van de zonne-energie wordt omgezet in koolstofverbindingen. Het systeem van Yang is vergelijkbaar met de plant die CO2 het beste omzet in suiker:suikerriet, dat is 4-5% efficiënt.

Yang werkt ook aan systemen om op efficiënte wijze suikers en koolhydraten te produceren uit zonlicht en CO2, mogelijk voedsel voor Mars-kolonisten.

Bekijk de pH

Toen Yang en zijn collega's vijf jaar geleden voor het eerst hun nanodraad-bacteriën hybride reactor demonstreerden, de zonneconversie-efficiëntie was slechts ongeveer 0,4% - vergelijkbaar met planten, maar nog steeds laag in vergelijking met de typische efficiëntie van 20% of meer voor siliciumzonnepanelen die licht omzetten in elektriciteit. Yang was een van de eersten die nanodraden in zonnepanelen veranderde, zo'n 15 jaar geleden.

De onderzoekers probeerden in eerste instantie de efficiëntie te verhogen door meer bacteriën op de nanodraden te verpakken, die elektronen rechtstreeks naar de bacteriën overbrengen voor de chemische reactie. Maar de bacteriën scheidden zich van de nanodraden, het circuit verbreken.

De onderzoekers ontdekten uiteindelijk dat de bugs, terwijl ze acetaat produceerden, verminderde de zuurgraad van het omringende water - dat wil zeggen, verhoogde een meting genaamd pH - en zorgde ervoor dat ze loskwamen van de nanodraden. Hij en zijn studenten vonden uiteindelijk een manier om het water iets zuurder te houden om het effect van stijgende pH als gevolg van continue acetaatproductie tegen te gaan. Hierdoor konden ze veel meer bacteriën in het nanodraadbos stoppen, de efficiëntie met bijna een factor 10 verhoogd. Ze konden de reactor laten werken, een woud van parallelle nanodraden, een week lang zonder dat de bacteriën eraf schilferen.

In dit specifieke experiment de nanodraden werden alleen gebruikt als geleidende draden, niet als zonneabsorbeerders. Een extern zonnepaneel zorgde voor de energie.

In een echt systeem, echter, de nanodraden zouden licht absorberen, genereren elektronen en transporteren ze naar de bacteriën die op de nanodraden zijn aangebracht. De bacteriën nemen de elektronen op en, vergelijkbaar met de manier waarop planten suikers maken, zet twee koolstofdioxidemoleculen en water om in acetaat en zuurstof.

"Deze silicium nanodraden zijn in wezen als een antenne:ze vangen het zonnefoton op net als een zonnepaneel, " zei Yang. "Binnen deze silicium nanodraden, ze zullen elektronen genereren en deze aan deze bacteriën voeden. Dan nemen de bacteriën CO2 op doe de chemie en spuug acetaat uit."

De zuurstof is een bijkomend voordeel en, op Mars, zou de kunstmatige atmosfeer van kolonisten kunnen aanvullen, die de 21% zuurstofomgeving van de aarde zou nabootsen.

Yang heeft het systeem op andere manieren aangepast, bijvoorbeeld:om kwantumstippen in te bedden in het eigen membraan van de bacterie die als zonnepanelen fungeren, zonlicht absorberen en de noodzaak voor silicium nanodraden wegnemen. Deze cyborg-bacteriën maken ook azijnzuur.

Zijn lab blijft zoeken naar manieren om de efficiëntie van de biohybride te verhogen, en onderzoekt ook technieken voor het genetisch manipuleren van de bacteriën om ze veelzijdiger te maken en in staat te stellen een verscheidenheid aan organische verbindingen te produceren.