Weltraumkolonien: Wie künstliche Photosynthese der Schlüssel zu nachhaltigem Leben außerhalb der Erde sein könnte

7. Juni 2023

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von Katharina Brinkert, Das Gespräch

Das Leben auf der Erde verdankt seine Existenz der Photosynthese – einem Prozess, der 2,3 Milliarden Jahre alt ist. Diese äußerst faszinierende (und immer noch nicht vollständig verstandene) Reaktion ermöglicht es Pflanzen und anderen Organismen, Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid zu ernten und diese in Sauerstoff und Energie in Form von Zucker umzuwandeln.

Die Photosynthese ist ein so integraler Bestandteil des Funktionierens der Erde, dass wir sie als ziemlich selbstverständlich betrachten. Aber wenn wir über unseren eigenen Planeten hinaus nach Orten suchen, die wir erkunden und besiedeln können, wird uns klar, wie selten und wertvoll dieser Prozess ist.

Wie meine Kollegen und ich in einem neuen Artikel untersucht haben, der in Nature Communications veröffentlicht wurde, könnten die jüngsten Fortschritte bei der künstlichen Photosynthese durchaus der Schlüssel zum Überleben und Gedeihen abseits der Erde sein.

Der menschliche Bedarf an Sauerstoff macht die Raumfahrt schwierig. Treibstoffbeschränkungen schränken die Menge an Sauerstoff ein, die wir mitnehmen können, insbesondere wenn wir Langstreckenreisen zum Mond und zum Mars unternehmen wollen. Eine einfache Reise zum Mars dauert normalerweise etwa zwei Jahre, was bedeutet, dass wir nicht einfach Ressourcen von der Erde schicken können.

Es gibt bereits Möglichkeiten, Sauerstoff durch Recycling von Kohlendioxid auf der Internationalen Raumstation zu erzeugen. Der größte Teil des Sauerstoffs der ISS stammt aus einem Prozess namens „Elektrolyse“, bei dem Strom aus den Sonnenkollektoren der Station genutzt wird, um Wasser in Wasserstoffgas und Sauerstoffgas aufzuspalten, die Astronauten einatmen. Außerdem gibt es ein separates System, das das von den Astronauten eingeatmete Kohlendioxid umwandelt in Wasser und Methan.

Diese Technologien sind jedoch unzuverlässig, ineffizient, schwer und schwer zu warten. Der Sauerstofferzeugungsprozess erfordert beispielsweise etwa ein Drittel der Gesamtenergie, die für den Betrieb des gesamten Systems der ISS zur „Umweltkontrolle und Lebenserhaltung“ erforderlich ist.

Daher wird weiterhin nach alternativen Systemen gesucht, die auf dem Mond und bei Reisen zum Mars eingesetzt werden können. Eine Möglichkeit besteht darin, Sonnenenergie (die im Weltraum reichlich vorhanden ist) zu gewinnen und sie direkt für die Sauerstoffproduktion und das Kohlendioxidrecycling in nur einem Gerät zu nutzen.

Der einzige andere Input in einem solchen Gerät wäre Wasser – ähnlich dem Photosyntheseprozess in der Natur. Dies würde komplexe Aufbauten umgehen, bei denen die beiden Prozesse der Lichtgewinnung und der chemischen Produktion getrennt sind, wie beispielsweise auf der ISS.

Dies ist interessant, da dadurch Gewicht und Volumen des Systems reduziert werden könnten – zwei Schlüsselkriterien für die Weltraumforschung. Aber es wäre auch effizienter.

Wir könnten zusätzliche thermische (Wärme-)Energie, die bei der Erfassung von Sonnenenergie freigesetzt wird, direkt dazu nutzen, die chemischen Reaktionen zu katalysieren (zu zünden) und sie so zu beschleunigen. Darüber hinaus konnte der Verkabelungs- und Wartungsaufwand deutlich reduziert werden.

Wir haben einen theoretischen Rahmen erstellt, um die Leistung solcher integrierten „künstlichen Photosynthese“-Geräte für Anwendungen auf Mond und Mars zu analysieren und vorherzusagen.

Anstelle von Chlorophyll, das in Pflanzen und Algen für die Lichtabsorption verantwortlich ist, nutzen diese Geräte Halbleitermaterialien, die direkt mit einfachen metallischen Katalysatoren beschichtet werden können, die die gewünschte chemische Reaktion unterstützen.

Unsere Analyse zeigt, dass diese Geräte tatsächlich als Ergänzung zu bestehenden Lebenserhaltungstechnologien geeignet wären, wie zum Beispiel der auf der ISS eingesetzten Sauerstoffgeneratorbaugruppe. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sie mit Geräten kombiniert werden, die Sonnenenergie konzentrieren, um die Reaktionen anzutreiben (im Wesentlichen große Spiegel, die das einfallende Sonnenlicht bündeln).

Es gibt auch andere Ansätze. Beispielsweise können wir Sauerstoff direkt aus dem Mondboden (Regolith) produzieren. Damit dies funktioniert, sind jedoch hohe Temperaturen erforderlich.

Künstliche Photosynthesegeräte könnten hingegen bei Raumtemperatur und den auf dem Mars und dem Mond herrschenden Drücken betrieben werden. Das heißt, sie könnten direkt in Lebensräumen eingesetzt werden und Wasser als Hauptressource nutzen.

Dies ist besonders interessant angesichts des vorgeschriebenen Vorhandenseins von Eiswasser im Mondkrater Shackleton, der ein erwarteter Landeplatz für zukünftige Mondmissionen ist.

Auf dem Mars besteht die Atmosphäre zu fast 96 % aus Kohlendioxid – scheinbar ideal für ein künstliches Photosynthesegerät. Allerdings ist die Lichtintensität auf dem Roten Planeten aufgrund der größeren Entfernung von der Sonne schwächer als auf der Erde.

Würde das also ein Problem darstellen? Wir haben tatsächlich die auf dem Mars verfügbare Sonnenlichtintensität berechnet. Wir haben gezeigt, dass wir diese Geräte dort tatsächlich einsetzen können, obwohl Solarspiegel noch wichtiger werden.

Die effiziente und zuverlässige Produktion von Sauerstoff und anderen Chemikalien sowie das Recycling von Kohlendioxid an Bord von Raumfahrzeugen und in Lebensräumen ist eine enorme Herausforderung, die wir für langfristige Weltraummissionen meistern müssen.

Bestehende Elektrolysesysteme, die bei hohen Temperaturen arbeiten, erfordern einen erheblichen Energieaufwand. Und Geräte zur Umwandlung von Kohlendioxid in Sauerstoff auf dem Mars stecken noch in den Kinderschuhen, ob sie nun auf Photosynthese basieren oder nicht.

Daher sind mehrere Jahre intensiver Forschung notwendig, um diese Technologie im Weltraum einsetzen zu können. Das Kopieren der wesentlichen Teile der Photosynthese der Natur könnte uns einige Vorteile verschaffen und uns dabei helfen, sie in nicht allzu ferner Zukunft zu realisieren.

Die Rendite wäre riesig. Wir könnten zum Beispiel tatsächlich künstliche Atmosphären im Weltraum schaffen und Chemikalien produzieren, die wir auf Langzeitmissionen benötigen, etwa Düngemittel, Polymere oder Arzneimittel.

Darüber hinaus könnten die Erkenntnisse, die wir aus der Entwicklung und Herstellung dieser Geräte gewinnen, uns dabei helfen, die Herausforderung der grünen Energie auf der Erde zu meistern.

Wir haben das Glück, Pflanzen und Algen zur Sauerstoffproduktion zu haben. Künstliche Photosynthesegeräte könnten jedoch zur Herstellung von Wasserstoff oder kohlenstoffbasierten Kraftstoffen (anstelle von Zucker) eingesetzt werden, was einen umweltfreundlichen Weg für die Produktion energiereicher Chemikalien eröffnet, die wir speichern und im Transportwesen verwenden können.

Die Erforschung des Weltraums und unsere zukünftige Energiewirtschaft haben ein sehr ähnliches langfristiges Ziel: Nachhaltigkeit. Künstliche Photosynthesegeräte könnten durchaus eine Schlüsselrolle bei der Verwirklichung dieses Ziels spielen.

Mehr Informationen: Byron Ross et al., Bewertung der technologischen Machbarkeit photoelektrochemischer Geräte zur Sauerstoff- und Treibstoffproduktion auf Mond und Mars, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38676-2

Zeitschrifteninformationen:Naturkommunikation

Bereitgestellt von The Conversation

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.