برای سفرهای فضایی طولانی از قبیل زندگی در ماه یا سفر به مریخ ضروری است که فضانواردان بتوانند به راحتی تنفس کنند. این امکان توسط سامانه‌های حامی حیات فراهم می‌شود که با فتوسنتز مصنوعی این امکان را فراهم می‌کنند.
تا سال 2030، چندین آژانس فضایی برای اولین بار از زمان پایان برنامه آپولو در بیش از 50 سال پیش، فضانوردان را به ماه اعزام خواهند کرد. این برنامه‌ها زیرساخت‌های پایداری مانند دروازه ماه ، پایگاه اصلی آرتمیس ، روستای ماه و ایستگاه بین المللی تحقیقات قمری (ILRS) ایجاد خواهند کرد. در دهه بعد، انتظار می‌رود اولین ماموریت‌های انسانی به مقصد مریخ انجام شود که با ایجاد اولین پایگاه‌های انسانی در سیاره دیگری به اوج خود می‌رسد. سرمایه‌گذاری‌های تجاری همچنین می‌خواهند زیستگاه‌هایی را در مدار پایین زمین (LEO) ایجاد کنند ، که همه چیز را از استخراج سیارک گرفته تا گردشگری فضایی را ممکن می‌سازد.
به گزارش اورانوس و به نقل از یونیورس تودی، یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها برای این دوره جدید اکتشاف فضایی (عصر فضا، نسخه‌ی 2.0) این است که اطمینان حاصل شود که انسان‌ها می‌توانند با گذراندن دوره‌های طولانی در فضا سالم بمانند. مهمترین آنها اطمینان از اینکه خدمه دارای سامانه‌های حامی حیاتی هستند که می‌توانند به طور مداوم هوای قابل تنفس را تامین کنند، که چالش‌های فنی خاص خود را ایجاد می‌کند. در مطالعه اخیر، گروهی از محققان به رهبری کاترینا برینکرت از دانشگاه وارویک توضیح دادند که چگونه فتوسنتز مصنوعی می‌تواند منجر به نوع جدیدی از سامانه حامی حیات شود که کوچکتر، سبک‌تر، ساده‌تر و مقرون به صرفه‌تر است.
دکتر برینکرت علاوه بر اینکه استادیار کاتالیز در دانشگاه وارویک (UoW) انگلستان است، محقق مرکز فناوری کاربردی فضایی و میکروگرانش (ZARM) در دانشگاه برمن آلمان است. بایرون راس ، دانشجوی دکترا به او پیوست. دانشجوی گروه تحقیقاتی دکتر برینکرت (که رهبری مطالعه را بر عهده داشت) در گروه شیمی در UoW و سوفیا هاوسنر ، دانشیار موسسه مهندسی مکانیک در Ecole Polytechnique Fédérale de Lozanne (EPFL). مقاله‌ای که آخرین تحقیقات آنها را توصیف می‌کند در 5 خرداد در Nature Communications منتشر شد .
تقریباً 4 میلیارد سال پیش، جو زمین و محیط زیست بسیار متفاوت از امروز بود. این سیاره که به عنوان آرکئن یا نخست‌زیست شناخته می‌شود، پوشیده از آتشفشان‌های فعال بود و جو آن عمدتاً از دی اکسید کربن، دی اکسید گوگرد و سایر گازهای آتشفشانی تشکیل شده بود. در همین دوره، تصور می‌شود که اولین شکل‌های حیات ظهور کرده‌اند: میکروب‌های تک سلولی که برای فتوسنتز به رتینول یا کلروفیل متکی بودند. این اشکال حیات به آرامی جو را تبدیل کردند و آب، نور خورشید و دی اکسید کربن را برای ایجاد گلوکز (منبع انرژی) و گاز اکسیژن به عنوان محصول جانبی ترکیب کردند.
این فرآیند منجر به ” رویداد اکسیداسیون بزرگ ” و ظهور اشکال زندگی پیچیده‌تر شد که در نهایت باعث پیدایش انسان‌ها و هومو ساپینس شد. فتوسنتز برای حیات روی زمین آنقدر ضروری است که دانشمندان امیدوارند از این فرآیند برای تسهیل زندگی در فضا استفاده کنند. در ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS)، فضانوردان به سامانه کنترل محیطی و حامی حیات (ECLSS) برای تامین اکسیژن ثابت متکی هستند. این سیستم بر الکترولیز متکی است، جایی که الکتریسیته از صفحات خورشیدی ایستگاه، آب را به گاز هیدروژن و اکسیژن تقسیم می‌کند.
در همین حال، سیستم جداگانه‌ای دی اکسید کربن را از هوا پاک می‌کند و آن را به آب و متان تبدیل می‌کند. متاسفانه، این سیستم‌ها بزرگ، حجیم، با نگهداری دشوار و ناکارآمد هستند و به حدود یک سوم انرژی مورد نیاز برای تامین انرژی ECLSS نیاز دارند. پر کردن مجدد سیستم نسبتاً آسان است زیرا ماموریت‌ها در مدار پایین زمین (LEO) را می‌توان در چند ساعت تجدید آماد کرد. اما برای ماموریت‌هایی که به مریخ می‌روند، که ممکن است شش تا نه ماه را در راه باشند و تا سه سال هم طول بکشد، ماموریت‌های تجدید آماد عملی نیستند. همانطور که دکتر برینکرت در مقاله اخیر خود با The Conversation گفت :
بنابراین جستجو برای سیستم‌های جایگزینی که می‌توانند در ماه و در سفر به مریخ استفاده شوند، ادامه دارد. یک امکان، برداشت انرژی خورشیدی (که در فضا فراوان است) و استفاده مستقیم از آن برای تولید اکسیژن و بازیافت دی اکسید کربن تنها در یک دستگاه است. تنها ورودی دیگر در چنین دستگاهی آب خواهد بود – مشابه فرآیند فتوسنتز که در طبیعت در جریان است. این امر مجموعه‌های پیچیده‌ای را دور می‌زند که در آن دو فرآیند برداشت نور و تولید مواد شیمیایی از هم جدا هستند، مانند ایستگاه فضایی بین‌المللی.
به جای کلروفیل، که گیاهان و جلبک ها برای جذب نور خورشید به آن متکی هستند، سامانه‌ای فوتوالکتروشیمیایی (PEC) به مواد نیمه هادی پوشیده شده با کاتالیزورهای فلزی برای تبدیل دی اکسید کربن و آب به گاز اکسیژن و سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن/کربن متکی است. انرژی اضافی تولید شده توسط گرمایش خورشیدی می‌تواند برای کاتالیز مستقیم آب و سرعت بخشیدن به فرآیند شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد و در نتیجه به برق کمتری نیاز دارد. این سامانه حامی حیات برای ماموریت‌های طولانی مدت بسیار سودمند خواهد بود زیرا حجم و وزن کاهش یافته را با کارایی بیشتر ترکیب می‌کند.
علاوه بر این، نگهداری سامانه آسان‌تر خواهد بود زیرا به سیم‌کشی و اجزای مکانیکی پیچیده کمتری نیاز دارد. برای آزمایش این مفهوم، دکتر برینکرت و همکارانش چارچوبی نظری برای اندازه‌گیری عملکرد PEC در برابر BLSS معمولی تولید کردند. این شامل کارایی تجزیه آب توسط خورشید، انرژی خورشیدی موجود در مریخ (تقریبا نیمی از آنچه زمین دریافت می‌کند) و کاهش دی اکسید کربن در جو مریخ بود. در نهایت، آنها در نظر گرفتند که چگونه دستگاه‌های متمرکز کننده خورشیدی می‌توانند به دستگاه‌های PEC کمک کنند و چگونه می‌توانند از طریق استفاده از منابع درجا (ISRU) تولید شوند. بلینکرت گفت:
در مریخ، جو از تقریباً 96 درصد دی اکسید کربن تشکیل شده است که به نظر برای دستگاه فتوسنتز مصنوعی ایده‌آل است. اما شدت نور در سیاره سرخ به دلیل فاصله بیشتر از خورشید نسبت به زمین ضعیف‌تر است. پس آیا این مشکل ایجاد می‌کند؟ در واقع شدت نور خورشید موجود در مریخ را محاسبه کردیم. نشان دادیم که واقعاً می‌توانیم از این دستگاه‌ها در آنجا استفاده کنیم، اگرچه آینه‌های خورشیدی اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند.
«تحلیل ما نشان می‌دهد که این دستگاه‌ها واقعاً برای تکمیل فناوری‌های موجود پشتیبانی از حیات، مانند مجموعه مولد اکسیژن استفاده شده در ایستگاه فضایی بین‌المللی، قابل اجرا هستند. این امر به ویژه در صورت ترکیب با دستگاه‌هایی که انرژی خورشیدی را برای تقویت واکنش‌ها متمرکز می‌کنند (که اساساً آینه‌های بزرگی هستند که نور خورشید ورودی را متمرکز می‌کنند) ترکیب می‌شود.
این سامانه پیشنهادی مزایای بی‌شماری را نسبت به دستگاه‌های الکترولیز معمولی که در دماهای بالا کار می‌کنند و به برق زیادی نیاز دارند، ارائه می‌دهد. در حالی که ناسا در حال بررسی فناوری است که می‌تواند اکسیژن را مستقیماً از سنگ‌پوشه ماه جمع آوری کند، این روش برای تبدیل اکسیژن عنصری به گاز اکسیژن (O2) به دمای بسیار بالایی نیاز دارد. از سوی دیگر، دستگاه‌های PEC می‌توانند در دمای اتاق در زیستگاه‌های مریخ و قمری کار کنند و از آب به عنوان منبع اصلی استفاده کنند. فراوانی یخ آب در مریخ و در حوضه قطب جنوب-آیتکن که دارای دهانه است، این روش را بسیار جذاب کرده است.
بلینکرت می‌گوید این فناوری هنوز در مراحل ابتدایی است و به چندین سال تحقیق بیشتر نیاز دارد. اما بازگشت بالقوه بسیار زیاد خواهد بود، سامانه‌های حامی حیات سبک برای ماموریت‌های طولانی‌مدت گرفته تا جو مصنوعی برای زیستگاه‌های LEO، روی ماه و مریخ. اما مطمئناً، مزایای آن فراتر از اکتشاف فضایی است و می‌تواند در اینجا در خانه کاربرد داشته باشد. بلینکرت گفت:
بینش‌هایی که از طراحی و ساخت این دستگاه‌ها به‌دست می‌آوریم می‌تواند به ما در مقابله با چالش انرژی سبز در زمین کمک کند. ما به اندازه کافی خوش شانس هستیم که گیاهان و جلبک‌هایی برای تولید اکسیژن داریم. اما می‌توان از دستگاه‌های فتوسنتز مصنوعی برای تولید سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن یا کربن (به‌جای قند) استفاده کرد که راه سبزی را برای تولید مواد شیمیایی غنی از انرژی باز می‌کند که می‌توانیم آنها را ذخیره و در حمل‌ونقل استفاده کنیم. اکتشاف فضا و اقتصاد انرژی آینده ما هدف بلند مدت بسیار مشابه دارد: پایداری. دستگاه‌های فتوسنتز مصنوعی ممکن است به بخش مهمی از تحقق آن تبدیل شوند.
این تحقیق آینه تلاش‌های مشابهی برای توسعه سامانه‌های حامی حیات است که سیستم‌های بیولوژیکی را در اینجا روی زمین تقلید می‌کنند. این سامانه‌های حامی حیات زیست‌سازنده پیشنهادی (BLSS) می‌توانند در طول زمان خود را دوباره پر کنند و اکسیژن، آب و حتی غذا را به روشی پایدار ارائه کنند. توسعه این فناوری آینده بشریت را در فضا تضمین می‌کند و امکان زندگی پایدارتر در زمین را فراهم می‌کند و به کاهش اثرات تغییرات آب و هوا کمک می‌کند.
