La vita sulla Terra deve la sua esistenza alla fotosintesi, un processo che ha 2,3 miliardi di anni. Questa reazione immensamente affascinante (e ancora non del tutto compresa) consente alle piante e ad altri organismi di raccogliere luce solare, acqua e anidride carbonica mentre li converte 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 mentre guardiamo oltre il nostro pianeta alla ricerca di luoghi da esplorare e su cui stabilirci, è ovvio quanto sia raro e prezioso il processo.
In un nuovo articolo, pubblicato su Nature Communications, si discute dei recenti progressi nella realizzazione della fotosintesi artificiale e come potrebbero essere la chiave per sopravvivere e prosperare lontano dalla Terra.
Il bisogno umano di ossigeno rende complicato il viaggio nello spazio. I vincoli 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 di solito dura nell’ordine di due anni, il che significa che non possiamo facilmente inviare 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 scindere l’acqua in idrogeno gassoso e ossigeno gassoso, che gli astronauti inspirano. Ha anche un sistema separato che converte l’anidride carbonica che gli astronauti respirano 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 a supporto del “controllo ambientale e supporto vitale”.
Modi da seguire
Prosegue quindi la ricerca di sistemi alternativi che possano essere impiegati sulla Luna e nei viaggi su Marte. Una possibilità è 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 tale dispositivo sarebbe l’acqua, simile al processo di fotosintesi in corso in natura. Ciò eluderebbe configurazioni complesse in cui i due processi di raccolta della luce e produzione chimica sono separati, come sulla ISS.
Questo è interessante in quanto potrebbe ridurre il peso e il volume del sistema, due criteri chiave per l’esplorazione dello spazio. Ma sarebbe anche più efficiente.
Potremmo utilizzare l’energia termica aggiuntiva (calore) rilasciata durante il processo di cattura dell’energia solare direttamente per catalizzare (accendere) le reazioni chimiche, accelerandole così. Inoltre, il cablaggio e la manutenzione complessi potrebbero essere notevolmente ridotti.
È stato prodotto un quadro teorico per analizzare e prevedere le prestazioni di tali dispositivi integrati di “fotosintesi artificiale” per applicazioni su Luna e 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 fattibili 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).
Ci sono anche altri approcci. Ad esempio, possiamo produrre ossigeno direttamente dal suolo lunare (regolite). Ma questo richiede alte temperature per funzionare.
I dispositivi di fotosintesi artificiale, d’altra parte, potrebbero funzionare a temperatura ambiente alle pressioni riscontrate su Marte e sulla Luna. Ciò significa che potrebbero essere utilizzati direttamente negli habitat e utilizzando l’acqua come risorsa principale.
Ciò è particolarmente interessante data la presenza stabilita di acqua ghiacciata nel cratere lunare Shackleton, che è un sito di atterraggio previsto nelle future missioni lunari.
Su Marte, l’atmosfera è composta da quasi il 96% di anidride carbonica, apparentemente ideale per un dispositivo di fotosintesi artificiale. Ma l’intensità della luce sul pianeta rosso è più debole che sulla Terra a causa della maggiore distanza dal Sole.
Quindi questo rappresenterebbe un problema? hanno effettivamente calcolato l’intensità della luce solare disponibile su Marte. Hanno dimostrato che possiamo effettivamente utilizzare questi dispositivi lì, sebbene gli specchi solari diventino ancora più importanti.
La produzione efficiente e affidabile di ossigeno e altri prodotti chimici, nonché il riciclaggio dell’anidride carbonica a bordo di veicoli spaziali e negli habitat, è una sfida tremenda che dobbiamo affrontare per le missioni spaziali a lungo termine.
I sistemi di elettrolisi esistenti, funzionanti ad alte temperature, richiedono una notevole quantità di energia in ingresso. E i dispositivi per convertire l’anidride carbonica in ossigeno su Marte sono ancora agli inizi, siano essi basati sulla fotosintesi o meno.
Sono quindi necessari diversi anni di intensa ricerca per poter utilizzare questa tecnologia nello spazio. Copiare i bit essenziali dalla fotosintesi della natura potrebbe darci dei vantaggi, aiutandoci a realizzarli in un futuro non troppo lontano.
Utilizzare nello spazio e sulla Terra
I ritorni sarebbero enormi. Ad esempio, potremmo effettivamente creare atmosfere artificiali nello spazio e produrre sostanze chimiche di cui abbiamo bisogno in missioni a lungo termine, come fertilizzanti, polimeri o prodotti farmaceutici.
Inoltre, le intuizioni che otteniamo dalla progettazione e dalla fabbricazione di questi dispositivi potrebbero aiutarci ad affrontare la sfida dell’energia verde sulla Terra.
Siamo abbastanza fortunati da avere piante e alghe per produrre ossigeno. Ma i dispositivi di fotosintesi artificiale potrebbero essere usati per produrre idrogeno o carburanti a base di carbonio (invece degli zuccheri), aprendo una via verde per la produzione di sostanze chimiche ricche di energia che possiamo immagazzinare e utilizzare nei trasporti.
L’esplorazione dello spazio e la nostra futura economia energetica hanno un obiettivo a lungo termine molto simile: la sostenibilità. I dispositivi di fotosintesi artificiale potrebbero diventare una parte fondamentale della sua realizzazione.
Autore
Katharina Brinkert, Università di Warwick
