ให้ความรู้เกี่ยวกับจรวด

กระบวนการผลิตชีวภาพจะใช้ทรัพยากรสามอย่างที่มีต้นกำเนิดมาจากดาวเคราะห์สีแดง ได้แก่ คาร์บอนไดออกไซด์ แสงแดด และน้ำแช่แข็ง นอกจากนี้ยังรวมถึงการขนส่งจุลินทรีย์สองตัวไปยังดาวอังคาร อย่างแรกคือไซยาโนแบคทีเรีย (สาหร่าย) ซึ่งจะนำ CO 2จากชั้นบรรยากาศบนดาวอังคารและใช้แสงอาทิตย์เพื่อสร้างน้ำตาล เชื้อ E. coli ที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมซึ่งจะถูกส่งมาจากโลก จะเปลี่ยนน้ำตาลเหล่านั้นให้เป็นเชื้อเพลิงขับเคลื่อนเฉพาะดาวอังคารสำหรับจรวดและอุปกรณ์ขับเคลื่อนอื่นๆ สารขับดันดาวอังคารที่เรียกว่า 2,3-butanediol มีอยู่ในปัจจุบัน สามารถสร้างโดย E. coli และบนโลกนี้ ถูกใช้ในการผลิตโพลิเมอร์สำหรับการผลิตยาง ปัจจุบันเครื่องยนต์จรวดที่ออกจากดาวอังคารมีแผนที่จะใช้เชื้อเพลิงจากก๊าซมีเทนและออกซิเจนเหลว (LOX) ทั้งสองไม่มีอยู่บนดาวเคราะห์สีแดง ซึ่งหมายความว่าพวกเขาจะต้องถูกขนส่งออกจากโลกเพื่อขับเคลื่อนยานอวกาศกลับสู่วงโคจรของดาวอังคาร การขนส่งนั้นมีราคาแพง: การขนส่งก๊าซมีเทน 30 ตันที่จำเป็นและ LOX คาดว่าจะมีค่าใช้จ่ายประมาณ 8 พันล้านดอลลาร์ เพื่อลดค่าใช้จ่ายนี้ NASA ได้เสนอให้ใช้การเร่งปฏิกิริยาทางเคมีเพื่อเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์บนดาวอังคารให้เป็น LOX แม้ว่าจะยังต้องใช้ก๊าซมีเทนในการขนส่งออกจากโลกก็ตาม อีกทางเลือกหนึ่งคือ นักวิจัยของจอร์เจียเทคเสนอเทคโนโลยีชีวภาพตามกลยุทธ์การใช้ทรัพยากรในแหล่งกำเนิด (bio-ISRU) ที่สามารถผลิตทั้งจรวดขับดันและ LOX จากCO 2 นักวิจัยกล่าวว่าการสร้างจรวดบนดาวอังคารโดยใช้ทรัพยากรบนดาวอังคารสามารถช่วยลดต้นทุนภารกิจได้ นอกจากนี้ กระบวนการ bio-ISRU ยังสร้างออกซิเจนสะอาดส่วนเกินจำนวน 44 ตัน ซึ่งสามารถกันไว้เพื่อใช้ในวัตถุประสงค์อื่น เช่น สนับสนุนการล่าอาณานิคมของมนุษย์ "คาร์บอนไดออกไซด์เป็นหนึ่งในทรัพยากรที่มีอยู่เพียงชนิดเดียวบนดาวอังคาร การรู้ว่าชีววิทยานั้นดีเป็นพิเศษในการเปลี่ยน CO 2ให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่มีประโยชน์ จึงเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการสร้างเชื้อเพลิงจรวด" นิค ครูเยอร์ ผู้เขียนคนแรกของการศึกษาและ Ph ล่าสุดกล่าว .ด. ผู้รับจากโรงเรียนวิศวกรรมเคมีและชีวโมเลกุลของจอร์เจียเทค (ChBE) กระดาษสรุปกระบวนการซึ่งเริ่มต้นด้วยการขนส่งวัสดุพลาสติกไปยังดาวอังคารซึ่งจะประกอบกันเป็นเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่มีขนาดเท่าสนามฟุตบอลสี่สนาม ไซยาโนแบคทีเรียจะเติบโตในเครื่องปฏิกรณ์ผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง (ซึ่งต้องใช้คาร์บอนไดออกไซด์) เอนไซม์ในเครื่องปฏิกรณ์ที่แยกออกมาจะสลายไซยาโนแบคทีเรียให้เป็นน้ำตาล ซึ่งสามารถป้อนให้กับ E. coli เพื่อผลิต จรวด ขับดันได้ สารขับดันจะถูกแยกออกจากน้ำซุปหมัก E. coli โดยใช้วิธีการแยกขั้นสูง การวิจัยของทีมพบว่ากลยุทธ์ bio-ISRU ใช้พลังงานน้อยกว่า 32% (แต่มีน้ำหนักมากกว่าสามเท่า) กว่ากลยุทธ์ที่เปิดใช้งานทางเคมีในการขนส่งมีเทนจากโลกและผลิตออกซิเจนผ่านการเร่งปฏิกิริยาทางเคมี เนื่องจากแรงโน้มถ่วงบนดาวอังคารเป็นเพียง 1 ใน 3 ของแรงดึงดูดของโลก นักวิจัยจึงสามารถสร้างสรรค์ได้เมื่อคิดถึงเชื้อเพลิงที่มีศักยภาพ Pamela Peralta-Yahya ผู้เขียนรายงานที่เกี่ยวข้องและเพื่อนร่วมงานกล่าวว่า "คุณต้องการพลังงานน้อยลงมากสำหรับการทะยานขึ้นบนดาวอังคาร ซึ่งทำให้เรามีความยืดหยุ่นในการพิจารณาสารเคมีต่างๆ ที่ไม่ได้ออกแบบมาสำหรับการปล่อยจรวดบนโลก" ศาสตราจารย์ใน School of Chemistry & Biochemistry และ ChBE ซึ่งเป็นวิศวกรของจุลินทรีย์สำหรับการผลิตสารเคมี "เราเริ่มพิจารณาวิธีการใช้ประโยชน์จากแรงโน้มถ่วงที่ต่ำลงและการขาดออกซิเจนของดาวเคราะห์ เพื่อสร้างวิธีแก้ปัญหาที่ไม่เกี่ยวข้องกับการเปิดตัวของโลก" "2,3-butanediol มีมานานแล้ว แต่เราไม่เคยคิดที่จะใช้มันเป็นเชื้อเพลิงขับเคลื่อน หลังจากการวิเคราะห์และการศึกษาทดลองเบื้องต้น เราตระหนักว่ามันเป็นตัวเลือกที่ดี" เวนติง ซัน รองศาสตราจารย์ใน Daniel Guggenheim School of Aerospace Engineering ซึ่งทำงานเกี่ยวกับเชื้อเพลิง ทีมงานของ Georgia Tech ครอบคลุมทั่วทั้งวิทยาเขต นักเคมี วิศวกรเคมี เครื่องกล และการบินและอวกาศมารวมตัวกันเพื่อพัฒนาแนวคิดและกระบวนการสร้างเชื้อเพลิงบนดาวอังคารที่ใช้งานได้ นอกจาก Kruyer, Peralta-Yahya และ Sun แล้ว กลุ่มนี้ยังรวมถึง Caroline Genzale ผู้เชี่ยวชาญด้านการเผาไหม้และรองศาสตราจารย์ใน George W. Woodruff School of Mechanical Engineering และ Matthew Realff ศาสตราจารย์และ David Wang Sr. Fellow ใน ChBE ผู้ซึ่ง เป็นผู้เชี่ยวชาญด้านการสังเคราะห์และออกแบบกระบวนการ ขณะนี้ทีมงานกำลังดำเนินการเพิ่มประสิทธิภาพทางชีวภาพและวัสดุที่ระบุเพื่อลดน้ำหนักของกระบวนการ bio-ISRU และทำให้มีน้ำหนักเบากว่ากระบวนการทางเคมีที่เสนอ ตัวอย่างเช่น การปรับปรุงความเร็วที่ไซยาโนแบคทีเรียเติบโตบนดาวอังคารจะลดขนาดของโฟโตไบโอรีแอคเตอร์ ทำให้น้ำหนักบรรทุกที่จำเป็นในการขนส่งอุปกรณ์จากโลกลดลงอย่างมาก "เรายังต้องทำการทดลองเพื่อแสดงให้เห็นว่าไซยาโนแบคทีเรียสามารถเติบโตได้ในสภาพดาวอังคาร" Realff ผู้ซึ่งทำงานเกี่ยวกับการวิเคราะห์กระบวนการจากสาหร่ายกล่าว "เราจำเป็นต้องพิจารณาความแตกต่างของสเปกตรัมแสงอาทิตย์บนดาวอังคาร ทั้งจากระยะห่างจากดวงอาทิตย์และการขาดการกรองแสงแดดในชั้นบรรยากาศ ระดับรังสีอัลตราไวโอเลตที่สูงอาจทำลายไซยาโนแบคทีเรียได้" ทีม Georgia Tech เน้นย้ำว่าการยอมรับความแตกต่างระหว่างดาวเคราะห์ทั้งสองเป็นหัวใจสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพสำหรับการผลิตเชื้อเพลิง อาหาร และสารเคมีบนดาวอังคารของ ISRU นั่นเป็นเหตุผลที่พวกเขาจัดการกับความท้าทายทางชีววิทยาและวัสดุในการศึกษานี้เพื่อพยายามนำไปสู่เป้าหมายของการมีอยู่ของมนุษย์ในอนาคตนอกโลก "ห้องปฏิบัติการ Peralta-Yahya เป็นเลิศในการค้นหาแอปพลิเคชันใหม่และน่าตื่นเต้นสำหรับชีววิทยาสังเคราะห์และเทคโนโลยีชีวภาพ จัดการกับปัญหาที่น่าตื่นเต้นในด้านความยั่งยืน" ครูเยอร์กล่าวเสริม "การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีชีวภาพบนดาวอังคารเป็นวิธีที่สมบูรณ์แบบในการใช้ประโยชน์จากทรัพยากรที่มีอยู่อย่างจำกัดด้วยวัสดุเริ่มต้นที่น้อยที่สุด"