چگونه فتوسنتز مصنوعی می‌تواند کلید حیات پایدار فرازمینی باشد؟

حیات روی زمین وجود خود را مدیون فتوسنتز است؛ فرآیندی که حدود ۲٫۳ میلیارد سال قدمت دارد. این فرآیند جذاب به گیاهان و دیگر موجودات زنده اجازه می‌دهد که نور خورشید، آب و کربن‌دی‌اکسید را به اکسیژن و انرژی قندی تبدیل کنند.

فتوسنتز بخشی جدایی‌ناپذیر از عملکرد حیات روی زمین است؛ اما با بررسی سیاره‌های دیگر و جستجو برای اکتشاف و سکونت، به ارزش بالا و کمیابی این فرآیند پی می‌بریم. به گزارش وب‌سایت کانورسیشن، کاتارینا برینکرت، استادیار دانشگاه وارویک و همکاران او در مقاله‌ی جدیدشان در مجله‌ی Nature Communications، فتوسنتز مصنوعی را کلید بقا و رونق حیات خارج از زمین معرفی کردند.

نیاز انسان به اکسیژن سفر به فضا را بسیار دشوار می‌سازد. محدودیت‌های سوخت هم مقدار اکسیژن قابل حمل به‌ویژه برای سفرهای طولانی‌مدت به ماه و مریخ را محدود می‌کند. سفری یک‌طرفه به مریخ معمولا دو سال به طول می‌انجامد بنابراین نمی‌توان تمام منابع را از زمین ارسال کرد.

در حال حاضر روش‌هایی برای تولید اکسیژن از طریق بازیافت کربن‌دی‌اکسید در ایستگاه فضایی بین‌المللی وجود دارد. بخش زیادی از اکسیژن ایستگاه فضایی بین‌المللی از فرآیندی به نام الکترولیز تأمین می‌شود که از برق پنل‌های خورشیدی ایستگاه برای تجزیه‌ی آب به گاز هیدروژن و اکسیژن استفاده می‌کند و به‌این‌ترتیب فضانوردها در چنین هوایی تنفس می‌کنند. ایستگاه فضایی همچنین دارای سیستمی مجزا است که کربن‌دی‌اکسید بازدم فضانوردها را به آب و متان تبدیل می‌کند.

اما فناوری‌های موجود غیرمطمئن، ناکارآمد و سنگین هستند و نگه‌داری‌شان هم دشوار است. برای مثال فرآیند تولید اکسیژن به یک‌سوم از کل انرژی موردنیاز برای راه‌اندازی کل سیستم ایستگاه فضایی بین‌المللی برای پشتیبانی از محیط و حیات نیاز دارد.

جستجو برای سیستم‌های جایگزین که روی ماه و سفر به مریخ قابل استفاده باشند، ادامه دارد. یکی از روش‌های احتمالی می‌تواند برداشت انرژی خورشیدی (که در فضا فراوان است) و استفاده‌ی مستقیم از آن برای تولید اکسیژن و بازیافت کربن دی‌اکسید در یک دستگاه باشد. ماده‌ی ورودی دیگر در چنین دستگاهی آب است و به این ترتیب این فرآیند به فتوسنتز در طبیعت شباهت پیدا می‌کند.

فرآیند فتوسنتز می‌تواند وزن و حجم لازم برای دستگاه را کاهش دهد؛ اما می‌تواند بهینه‌تر از این هم عمل کند. برای مثال می‌توان از انرژی گرمایی آزادشده در طول فرآیند برداشت انرژی خورشیدی برای فعال‌سازی واکنش‌های شیمیایی استفاده کرد و به این ترتیب سرعت فرآیند را افزایش داد. علاوه بر این، سیم‌کشی و نگه‌داری‌های پیچیده به شدت کاهش می‌یابند.

پژوهشگرها چارچوبی نظری را برای تحلیل و پیش‌بینی عملکرد دستگاه‌های یکپارچه‌ی فتوسنتز مصنوعی برای ماه و مریخ ارائه دادند. برای مثال دستگاه‌های فتوسنتز مصنوعی به جای کلروفیل که عامل اصلی جذب نور در گیاهان و جلبک‌ها است، از مواد نیمه‌رسانا با پوشش کاتالیزگرهای ساده‌ی فلزی برای واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌کنند.

بر اساس تحلیل پژوهشگرها، دستگاه‌ فتوسنتز مصنوعی گزینه‌ی پایداری برای تکمیل فناوری‌های پشتیبان حیات مثل مولد اکسیژن ایستگاه فضایی بین‌المللی است. به‌ویژه می‌توان چنین دستگاهی را با دستگاه‌های متمرکز بر انرژی خورشیدی ترکیب کرد و نیروی لازم برای واکنش‌ها را افزایش داد.

روش‌های دیگری هم وجود دارند. برای مثال می‌توان به‌صورت مستقیم از خاک ماه یا اصطلاحا رگولیت، اکسیژن تولید کرد؛ اما برای این کار نیاز به دماهای بالایی است. از سوی دیگر، دستگاه‌های فتوسنتز مصنوعی می‌توانند در دمای اتاق و فشارهای رایج در ماه و مریخ به‌خوبی کار کنند؛ بنابراین ساکنین ماه و مریخ می‌توانند به‌صورت مستقیم از این دستگاه‌ها استفاده کنند و آب را به منبع اصلی خود تبدیل کنند. این روال به‌ویژه با توجه به وجود یخ‌آب در دهانه‌ی برخوردی شکلتون ماه جالب است. انتظار می‌ٰود این دهانه محل فرود ماموریت‌هاتی آتی به ماه باشد.

نزدیک به ۹۶ درصد از جو مریخ را کربن‌دی‌اکسید تشکیل می‌دهد که به نظر می‌رسد برای دستگاه فتوسنتز ایده‌آل است؛ اما شدت نور در سیاره‌ی سرخ به دلیل فاصله‌ی بیشتر از خورشید، ضعیف‌تر از شدت نور دریافتی روی زمین است؛ بنابراین آیا این مسئله مشکل‌ساز خواهد شد؟ پژوهشگرها فکر این قسمت را هم کرده‌اند. آن‌ها با محاسبه‌ی مقدار نور دریافتی روی مریخ نشان دادند می‌توان از دستگاه فتوسنتز روی این سیاره هم استفاده کرد گرچه در اینجا استفاده از آینه‌های خورشیدی اهمیت زیادی دارد.

تولید بهینه و مطمئن اکسیژن و دیگر مواد شیمیایی و همچنین بازیافت کربن‌دی‌اکسید فضاپیماها و زیستگاه‌ها، چالش بزرگی است که بشر برای مأموریت‌های بلندمدت باید به آن غلبه کند. سیستم‌های الکترولیز موجود که در دماهای بالا کار می‌کنند به مقدار قابل توجهی انرژی نیاز دارند. همچنین دستگاه‌های تبدیل کربن‌دی‌اکسید به اکسیژن در مریخ هنوز در ابتدای راه هستند.

بنابراین چندین سال پژوهش جدید برای استفاده از فناوری فتوسنتز در فضا لازم است. کپی‌کردن بخش‌های ضروری از فتوسنتز طبیعی به ما کمک می‌کند در آینده‌ای نه‌چندان دور به درک خوبی از این فرآیند برسیم.

فناوری فتوسنتز، مزایای زیادی خواهد داشت. برای مثال می‌توانیم جوهای مصنوعی در فضا بسازیم و مواد شیمیایی موردنیاز مثل کود، پلیمر و مواد دارویی را برای مأموریت‌های طولانی‌مدت تأمین کنیم. علاوه بر این با دیدگاه‌هایی که از طراحی و ساخت این دستگاه‌ها به دست می‌آوریم می‌توانیم چالش انرژی سبز روی زمین را هم حل کنیم.

ما به اندازه‌ی کافی خوش‌شانسیم که گیاهان و جلبک‌ها را برای تولید اکسیژن در اختیار داریم؛ اما دستگاه‌های فتوسنتز مصنوعی را هم می‌توان برای تولید سوخت‌های هیدروژنی یا کربنی به کار برد و به‌این‌ترتیب به رویکردی سبز برای تولید مواد شیمیایی مملو از انرژی می‌رسیم.

اکتشافات فضایی و اقتصاد سبز آینده هدف بلندمدت مشابهی را دنبال می‌کنند: پایداری. دستگاه‌های فتوسنتز مصنوعی می‌توانند به بخشی کلیدی در این فرآیند تبدیل شوند.