Utiliser des microbes pour fabriquer du biocarburant de la fusée martienne sur Mars

Une nouvelle étude décrit un processus biotechnologique pour produire du carburant pour fusée sur la planète rouge.

Des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont développé un concept qui fabriquerait du carburant pour fusée martienne, sur Mars, qui pourrait être utilisé pour renvoyer les futurs astronautes sur Terre.

Le processus de bioproduction utiliserait trois ressources natives de la planète rouge : le dioxyde de carbone, la lumière du soleil et l’eau gelée. Cela comprendrait également le transport de deux microbes vers Mars. Le premier serait les cyanobactéries (algues), qui prélèveraient le CO2 de l’atmosphère martienne et utiliseraient la lumière du soleil pour créer des sucres. Un E. coli conçu, qui serait expédié de la Terre, convertirait ces sucres en un propulseur spécifique à Mars pour les fusées et autres dispositifs de propulsion. Le propulseur martien, appelé 2,3-butanediol, existe actuellement, peut être créé par E. coli et, sur Terre, est utilisé pour fabriquer des polymères pour la production de caoutchouc.

Le processus est décrit dans un article intitulé “Conception de la bioproduction de propulseur de fusée martienne via une stratégie d’utilisation des ressources in situ basée sur la biotechnologie”, publié dans la revue Communication Nature.

Une photo du cratère Jezero de Mars, prise par le rover Perseverance Mars de la NASA. Crédit : NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS

Il est actuellement prévu que les moteurs des fusées au départ de Mars soient alimentés au méthane et à l’oxygène liquide (LOX). Ni l’un ni l’autre n’existent sur la planète rouge, ce qui signifie qu’ils devraient être transportés depuis la Terre pour alimenter un vaisseau spatial de retour en orbite martienne. Ce transport coûte cher : le transport des 30 tonnes de méthane et de LOX nécessaires est estimé à environ 8 milliards de dollars. Pour réduire ce coût, Nasa a proposé d’utiliser la catalyse chimique pour convertir le dioxyde de carbone martien en LOX, bien que cela nécessite toujours le transport de méthane depuis la Terre.

Comme alternative, les chercheurs de Georgia Tech proposent une stratégie d’utilisation des ressources in situ basée sur la biotechnologie (bio-ISRU) qui peut produire à la fois le propulseur et le LOX à partir du CO2. Les chercheurs affirment que fabriquer le propulseur sur Mars en utilisant des ressources martiennes pourrait aider à réduire le coût de la mission. De plus, le processus bio-ISRU génère 44 tonnes d’oxygène propre en excès qui pourraient être mis de côté pour être utilisés à d’autres fins, comme soutenir la colonisation humaine.

Pamela Peralta-Yahya

« Vous avez besoin de beaucoup moins d’énergie pour le décollage sur Mars, ce qui nous a donné la possibilité de considérer différents produits chimiques qui ne sont pas conçus pour le lancement de fusées sur Terre. » — Pamela Peralta-Yahya. Crédit : Georgia Tech

« Le dioxyde de carbone est l’une des seules ressources disponibles sur Mars. Sachant que la biologie est particulièrement efficace pour convertir le CO2 en produits utiles, elle convient parfaitement à la création de carburant pour fusée », a déclaré Nick Kruyer, premier auteur de l’étude et récent doctorat. récipiendaire de la School of Chemical and Biomolecular Engineering (ChBE) de Georgia Tech.

L’article décrit le processus, qui commence par transporter des matériaux plastiques vers Mars qui seraient assemblés dans des photobioréacteurs occupant la taille de quatre terrains de football. Les cyanobactéries se développeraient dans les réacteurs via la photosynthèse (qui nécessite du dioxyde de carbone). Des enzymes dans un réacteur séparé décomposeraient les cyanobactéries en sucres, qui pourraient être introduits dans E. coli pour produire le propulseur de fusée. Le propulseur serait séparé du bouillon de fermentation d’E. coli à l’aide de méthodes de séparation avancées.

La recherche de l’équipe révèle que la stratégie bio-ISRU utilise 32% moins d’énergie (mais pèse trois fois plus) que la stratégie proposée chimiquement consistant à expédier du méthane de la Terre et à produire de l’oxygène par catalyse chimique.

Parce que la gravité sur Mars n’est qu’un tiers de ce qui est ressenti sur Terre, les chercheurs ont pu faire preuve de créativité en pensant aux carburants potentiels.

Photobioréacteurs Mars

Des photobioréacteurs de la taille de quatre terrains de football, recouverts de cyanobactéries, pourraient produire du carburant pour fusée sur Mars. Crédit : étude mobile BOKO

“Vous avez besoin de beaucoup moins d’énergie pour décoller sur Mars, ce qui nous a donné la possibilité de considérer différents produits chimiques qui ne sont pas conçus pour le lancement de fusées sur Terre”, a déclaré Pamela Peralta-Yahya, auteure correspondante de l’étude et associée. professeur à l’École de chimie et biochimie et ChBE qui conçoit des microbes pour la production de produits chimiques. “Nous avons commencé à envisager des moyens de tirer parti de la gravité plus faible et du manque d’oxygène de la planète pour créer des solutions qui ne sont pas pertinentes pour les lancements terrestres.”

« Le 2,3-butanediol existe depuis longtemps, mais nous n’avons jamais pensé à l’utiliser comme propulseur. Après analyse et étude expérimentale préliminaire, nous avons réalisé qu’il s’agissait en fait d’un bon candidat », a déclaré Wenting Sun, professeur agrégé à la Daniel Guggenheim School of Aerospace Engineering, qui travaille sur les carburants.

L’équipe de Georgia Tech s’étend sur le campus. Des chimistes, des ingénieurs chimistes, mécaniques et aérospatiaux se sont réunis pour développer l’idée et le processus de création d’un carburant martien viable. En plus de Kruyer, Peralta-Yahya et Sun, le groupe comprenait Caroline Genzale, experte en combustion et professeure agrégée à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, et Matthew Realff, professeur et David Wang Sr. Fellow à ChBE, qui est un expert en synthèse et conception de processus.

Caroline Genzale, Matthew Realff et Wenting Sun

Caroline Genzale, Matthew Realff et Wenting Sun. Crédit : Georgia Tech

L’équipe cherche maintenant à effectuer l’optimisation biologique et matérielle identifiée pour réduire le poids du procédé bio-ISRU et le rendre plus léger que le procédé chimique proposé. Par exemple, l’amélioration de la vitesse de croissance des cyanobactéries sur Mars réduira la taille du photobioréacteur, réduisant considérablement la charge utile nécessaire pour transporter l’équipement depuis la Terre.

“Nous devons également effectuer des expériences pour démontrer que les cyanobactéries peuvent être cultivées dans des conditions martiennes”, a déclaré Realff, qui travaille sur l’analyse des processus à base d’algues. « Nous devons tenir compte de la différence dans le spectre solaire sur Mars à la fois en raison de la distance du Soleil et du manque de filtrage atmosphérique de la lumière du soleil. Des niveaux élevés d’ultraviolets pourraient endommager les cyanobactéries.

L’équipe de Georgia Tech souligne que la reconnaissance des différences entre les deux planètes est essentielle au développement de technologies efficaces pour la production ISRU de carburant, de nourriture et de produits chimiques sur Mars. C’est pourquoi ils abordent les défis biologiques et matériels de l’étude dans le but de contribuer à l’objectif de la future présence humaine au-delà de la Terre.

« Le laboratoire Peralta-Yahya excelle à trouver de nouvelles applications passionnantes pour la biologie synthétique et la biotechnologie, en s’attaquant à des problèmes passionnants en matière de durabilité », a ajouté Kruyer. « L’application de la biotechnologie sur Mars est un moyen idéal d’utiliser des ressources disponibles limitées avec un minimum de matières premières. »

Référence : « Designing the bioproduction of Martian rocket propulsant via a biotechnology-enabled in situ resource utilisation strategy » par Nicholas S. Kruyer, Matthew J. Realff, Wenting Sun, Caroline L. Genzale et Pamela Peralta-Yahya, 25 octobre 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-26393-7

La recherche a été soutenue par un prix NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC).

 
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