Ruimtekolonies hoe kunstmatige fotosynthese de sleutel kan zijn tot duurzaam

Ruimtekolonies: hoe kunstmatige fotosynthese de sleutel kan zijn tot duurzaam leven buiten de aarde

shutterstock Supamotionstock.com/shutterstock

Het leven op aarde dankt zijn bestaan aan fotosynthese – een proces dat 2,3 miljard jaar oud is. Deze immens fascinerende (en nog steeds niet volledig begrepen) reactie stelt planten en andere organismen in staat om zonlicht, water en kooldioxide te oogsten en om te zetten in zuurstof en energie in de vorm van suiker.

Fotosynthese is zo’n integraal onderdeel van het functioneren van de aarde dat we het bijna vanzelfsprekend vinden. Maar als we verder kijken dan onze eigen planeet op zoek naar plaatsen om te verkennen en ons op te vestigen, wordt het duidelijk hoe zeldzaam en waardevol dit proces is.

Zoals mijn collega’s en ik hebben onderzocht in een nieuw artikel, gepubliceerd in Nature Communications, zou recente vooruitgang in het maken van kunstmatige fotosynthese wel eens de sleutel kunnen zijn tot overleven en gedijen buiten de Aarde.

De menselijke behoefte aan zuurstof maakt ruimtereizen lastig. Brandstofbeperkingen beperken de hoeveelheid zuurstof die we mee kunnen nemen, vooral als we langeafstandsreizen naar de maan en Mars willen maken. Een enkele reis naar Mars duurt meestal zo’n twee jaar, wat betekent dat we niet gemakkelijk voorraden van de Aarde kunnen sturen.

Er zijn al manieren om zuurstof te produceren door kooldioxide te recyclen in het internationale ruimtestation. De meeste zuurstof van het ISS komt van een proces dat “elektrolyse” heet, dat elektriciteit van de zonnepanelen van het station gebruikt om water te splitsen in waterstofgas en zuurstofgas, dat astronauten inademen. Er is ook een apart systeem dat de koolstofdioxide die de astronauten uitademen omzet in water en methaan.

Maar deze technologieën zijn onbetrouwbaar, inefficiënt, zwaar en moeilijk te onderhouden. Het zuurstofopwekkingsproces, bijvoorbeeld, vereist ongeveer een derde van de totale energie die nodig is om het hele systeem van het ISS voor “omgevingscontrole en levensondersteuning” te laten werken.

Manieren voorwaarts

Er wordt daarom gezocht naar alternatieve systemen die kunnen worden gebruikt op de Maan en op reizen naar Mars. Eén mogelijkheid is om zonne-energie (die overvloedig aanwezig is in de ruimte) te oogsten en direct te gebruiken voor zuurstofproductie en kooldioxide-recycling in slechts één apparaat.

De enige andere input in zo’n apparaat zou water zijn – vergelijkbaar met het fotosyntheseproces dat in de natuur plaatsvindt. Dat zou complexe opstellingen omzeilen waarbij de twee processen van licht oogsten en chemische productie gescheiden zijn, zoals in het ISS.

Weergave van chemische reacties in het fotosyntheseproces met formules van kooldioxide, water, zuurstof en glucose geplaatst rond net opkomende plant op vruchtbare grond.

Fotosynthese is zeer efficiënt.
Ivelin Denev/Shutterstock

Dit is interessant omdat het het gewicht en het volume van het systeem zou kunnen verminderen – twee belangrijke criteria voor ruimteverkenning. Maar het zou ook efficiënter zijn.

We zouden de extra thermische (warmte) energie die vrijkomt tijdens het proces van het opvangen van zonne-energie direct kunnen gebruiken voor het katalyseren (ontsteken) van de chemische reacties – waardoor ze sneller verlopen. Bovendien zou de complexe bedrading en het onderhoud aanzienlijk kunnen worden verminderd.

We stelden een theoretisch kader op om de prestaties van zulke geïntegreerde “kunstmatige fotosynthese”-apparaten te analyseren en te voorspellen voor toepassingen op de maan en Mars.

In plaats van chlorofyl, dat verantwoordelijk is voor de lichtabsorptie in planten en algen, gebruiken deze apparaten halfgeleidermaterialen die direct gecoat kunnen worden met eenvoudige metalen katalysatoren die de gewenste chemische reactie ondersteunen.

Onze analyse toont aan dat deze apparaten inderdaad levensvatbaar zouden zijn als aanvulling op bestaande technologieën voor levensondersteuning, zoals de zuurstofgenerator in het ISS. Dit is vooral het geval in combinatie met apparaten die zonne-energie concentreren om de reacties aan te drijven (in wezen grote spiegels die het binnenkomende zonlicht concentreren).

Er zijn ook andere benaderingen. We kunnen bijvoorbeeld zuurstof direct uit de maanaarde (regolith) produceren. Maar dit vereist hoge temperaturen om te werken.

Apparaten voor kunstmatige fotosynthese zouden daarentegen kunnen werken bij kamertemperatuur en druk zoals op Mars en de Maan. Dat betekent dat ze direct in habitats gebruikt zouden kunnen worden en water als belangrijkste bron zouden kunnen gebruiken.

Dit is vooral interessant gezien de vermoedelijke aanwezigheid van ijswater in de Shackleton krater op de maan, een verwachte landingsplaats voor toekomstige maanmissies.

Op Mars bestaat de atmosfeer voor bijna 96% uit kooldioxide – ogenschijnlijk ideaal voor een kunstmatig fotosyntheseapparaat. Maar de lichtintensiteit op de rode planeet is zwakker dan op aarde vanwege de grotere afstand tot de zon.

Zou dit een probleem vormen? We hebben de intensiteit van het zonlicht op Mars berekend. We toonden aan dat we deze apparaten daar inderdaad kunnen gebruiken, hoewel zonnespiegels nog belangrijker worden.

De efficiënte en betrouwbare productie van zuurstof en andere chemicaliën en het recyclen van kooldioxide aan boord van ruimtetuigen en in habitats is een enorme uitdaging die we onder de knie moeten krijgen voor lange-termijn ruimtemissies.

Bestaande elektrolysesystemen, die bij hoge temperaturen werken, vereisen een aanzienlijke hoeveelheid energie. En apparaten om kooldioxide om te zetten in zuurstof op Mars staan nog in de kinderschoenen, of ze nu gebaseerd zijn op fotosynthese of niet.

Er zijn dus meerdere jaren van intensief onderzoek nodig om deze technologie in de ruimte te kunnen gebruiken. Het kopiëren van de essentiële onderdelen van de fotosynthese in de natuur zou ons een aantal voordelen kunnen geven, die we in de niet al te verre toekomst kunnen realiseren.

Gebruik in de ruimte en op aarde

Het rendement zou enorm zijn. We zouden bijvoorbeeld kunstmatige atmosferen kunnen creëren in de ruimte en chemicaliën kunnen produceren die we nodig hebben voor langetermijnmissies, zoals meststoffen, polymeren of geneesmiddelen.

Bovendien zouden de inzichten die we opdoen bij het ontwerpen en fabriceren van deze apparaten ons kunnen helpen om de uitdaging van groene energie op aarde aan te gaan.

Gelukkig hebben we planten en algen om zuurstof te produceren. Maar kunstmatige fotosynthese-apparaten zouden kunnen worden gebruikt om waterstof of op koolstof gebaseerde brandstoffen (in plaats van suikers) te produceren, wat een groene weg opent voor de productie van energierijke chemicaliën die we kunnen opslaan en gebruiken in transport.

De verkenning van de ruimte en onze toekomstige energie-economie hebben een zeer vergelijkbaar langetermijndoel: duurzaamheid. Kunstmatige fotosynthese-apparaten zouden wel eens een belangrijk onderdeel kunnen worden om dit doel te bereiken.

Het Gesprek

Katharina Brinkert ontvangt financiering van het Duitse lucht- en ruimtevaartcentrum (DLR) en het Europees Ruimteagentschap (ESA).

Ubergeek Loves Coolblue

Zou je na het lezen van deze artikel een product willen aanschaffen?
Bezoek dan Coolblue en ontdek hun uitgebreide assortiment.