A fotossíntese artificial pode ser a chave para a vida além da Terra em colônias espaciais

A vida na Terra deve sua existência à fotossíntese, um processo que tem 2,3 bilhões de anos.

Essa reação fascinante (e ainda desconhecida) permite que as plantas e outros organismos capturem a luz solar, a água e o dióxido de carbono e os convertam em oxigênio e energia na forma de açúcar.

A fotossíntese é uma parte tão integral do mecanismo de como a Terra funciona que praticamente a consideramos um dado já adquirido.

Mas quando olhamos para além do nosso planeta em busca de lugares para explorar e colonizar, torna-se óbvio o quão raro e valioso é esse processo.

Como meus colegas e eu investigamos em um novo artigo, publicado na Nature Communications, avanços recentes na produção de fotossíntese artificial podem ser a chave para sobreviver e prosperar longe da Terra.

A necessidade humana de oxigênio dificulta as viagens espaciais.

As restrições de combustível limitam a quantidade de oxigênio que podemos levar conosco, especialmente se quisermos fazer viagens de longa distância à Lua e a Marte.

Uma viagem só de ida a Marte normalmente leva cerca de dois anos, o que significa que não podemos enviar facilmente suprimentos de recursos da Terra.

Na Estação Espacial Internacional, já existem métodos para produzir oxigênio por meio da reciclagem de dióxido de carbono.

A maior parte do oxigênio na ISS vem de um processo chamado “eletrólise”, que usa eletricidade dos painéis solares da estação para dividir a água em gás hidrogênio e gás oxigênio, que os astronautas respiram.

Ele também possui um sistema separado que converte o dióxido de carbono exalado pelos astronautas em água e metano.

Mas essas tecnologias não são confiáveis, são ineficientes, muito pesadas e difíceis de se manter.

O processo de geração de oxigênio, por exemplo, requer cerca de um terço da energia total necessária para operar todo o sistema da ISS para dar suporte ao “controle ambiental e suporte à vida”.

A foto é uma maquete do ECLSS de 2001. Da esquerda para a direita, são mostrados o rack do chuveiro, o rack de gerenciamento de resíduos, o rack do Sistema de Recuperação de Água (WRS) nº 2, o rack do WRS nº 1 e o rack do Sistema de Geração de Oxigênio (OGS). Foto: NASA/MSFC

Vías de futuro

A busca por sistemas alternativos que possam ser usados ​​na Lua e em viagens a Marte continua.

Uma possibilidade é captar a energia solar (abundante no espaço) e utilizá-la diretamente para produção de oxigênio e reciclagem de dióxido de carbono em um único aparelho.

A única outra entrada em tal dispositivo seria a água, semelhante ao processo de fotossíntese que ocorre na natureza.

Isso evitaria montagens complexas em que os dois processos de captação de luz e produção química são separados, como ocorre na ISS.

Isso é interessante porque pode reduzir o peso e o volume do sistema, dois critérios-chave para a exploração espacial.

Mas também seria mais eficiente em termos energéticos.

Poderíamos usar a energia térmica adicional (calor) liberada durante o processo de captação de energia solar diretamente para catalisar (inflamar) reações químicas, acelerando-as.

Além disso, tarefas complexas de cabeamento e manutenção seriam consideravelmente reduzidas.

Desenvolvemos uma estrutura teórica para analisar e prever o desempenho desses dispositivos embutidos de “fotossíntese artificial” para aplicações na Lua e em Marte.

Em vez da clorofila, responsável pela absorção de luz em plantas e algas, esses dispositivos usam materiais semicondutores que podem ser revestidos diretamente com catalisadores metálicos simples que suportam a reação química desejada.

Nossa análise mostra que esses dispositivos seriam de fato viáveis ​​para complementar as tecnologias existentes de suporte à vida, como o grupo gerador de oxigênio usado na ISS.

Isso é verdadeiro quando combinado com dispositivos que concentram a energia solar para alimentar as reações (espelhos essencialmente grandes que focalizam a luz solar incidente).

Existem outros métodos também.

Por exemplo, podemos produzir oxigênio diretamente do solo lunar (regolito).

Mas isso requer altas temperaturas para funcionar.

Em vez disso, os dispositivos de fotossíntese artificial poderiam funcionar à temperatura ambiente e às pressões existentes em Marte e na Lua.

Isso significa que eles poderiam ser usados ​​diretamente nos habitats e usando a água como principal recurso.

Isso é interessante, dada a presença estipulada de gelo de água na cratera lunar Shackleton, que é um local de pouso planejado em futuras missões lunares.

Em Marte, a atmosfera é composta por quase 96% de dióxido de carbono, o que parece ideal para um dispositivo de fotossíntese artificial.

Mas a intensidade da luz no planeta vermelho é menor do que na Terra devido à maior distância do Sol.

Isso seria um problema?

Calculamos a intensidade da luz solar disponível em Marte.

Mostramos que podemos de fato usar esses dispositivos lá, embora os espelhos solares se tornem ainda mais importantes.

A produção eficiente e confiável de oxigênio e outros produtos químicos, bem como a reciclagem de dióxido de carbono a bordo de espaçonaves e em habitats, é um enorme desafio que devemos vencer para missões espaciais de longo prazo.

Os sistemas de eletrólise existentes, que operam em altas temperaturas, requerem uma grande quantidade de energia.

E os dispositivos para converter dióxido de carbono em oxigênio em Marte ainda estão engatinhando, sejam eles baseados na fotossíntese ou não.

Portanto, são necessários vários anos de intensa pesquisa para poder usar essa tecnologia no espaço.

Copiar da natureza as partes essenciais da fotossíntese poderia nos dar algumas vantagens, ajudando-nos a realizá-la em um futuro não muito distante.