四个足球场大小的光生物反应器，覆盖着蓝细菌，可以在火星上生产火箭燃料。图片：博科移动研究。
佐治亚理工学院的研究人员开发了一种在火星上制造火星火箭燃料的概念，这种燃料可以用来将未来的宇航员送回地球。
生物生产过程将使用这颗红色星球的三种主要资源，即：二氧化碳、阳光和冷冻水。这还包括将两种微生物运送到火星。第一种是蓝藻，它可以从火星大气中吸收二氧化碳，并利用阳光制造糖。一种从地球运输过来的工程大肠杆菌，将糖转化为火星专用火箭和其他推进装置的推进剂。火星上现有的推进剂被称为2，3-丁二醇，可由大肠杆菌生产，用于制造聚合物，用于地球上的橡胶生产。
发表在《自然通讯》杂志《自然通讯》上的一篇论文概述了这一过程。
来自火星的火箭发动机目前计划使用甲烷和液氧作为燃料。这两颗行星都不存在于火星上，这意味着它们需要从地球运输到火星，才能驱动返回火星的航天器进入火星轨道。这种交通工具很贵。据估计，运输30吨甲烷和液氧大约需要80亿美元。为了降低成本，美国宇航局提议使用化学催化将火星上的二氧化碳转化为液氧，尽管它仍然需要从地球运输甲烷。
作为替代方案，佐治亚理工学院的研究人员提出了一项基于生物技术的就地资源利用(生物ISRU)战略，该战略可以从二氧化碳中生产推进剂和液氧。研究人员表示，利用火星资源在火星上制造推进剂有助于降低任务成本。此外，生物isru过程产生44吨多余的清洁氧气，可用于其他目的，如支持人类住区。
“二氧化碳是火星上唯一的资源之一。这项研究的第一作者尼克克鲁耶说，他最近获得了佐治亚理工学院化学和生物分子工程学院(ChBE)的博士学位。
本文总结了整个过程。首先，塑料材料被运送到火星，然后组装成占据四个足球场大小的光生物反应器。蓝细菌将通过光合作用(需要二氧化碳)在反应器中生长。在一个单独的反应器中，酶将蓝细菌分解成糖，这些糖可以喂给大肠杆菌来制造火箭推进剂。推进剂将通过先进的分离方法从大肠杆菌发酵液中分离出来。
该团队的研究发现，与从地球运输甲烷并通过化学催化产生氧气的化学方法相比，生物isru策略节省了32%的电力(但重量增加了三倍)。
由于火星上的重力只有地球上的三分之一，研究人员在考虑潜在燃料时可以发挥创造力。
帕梅拉佩拉尔塔-叶海亚说：“在火星上发射所需的能量要少得多，这使我们能够灵活地考虑不同的化学物质，这些化学物质不是为在地球上发射火箭而设计的。她是该项研究的通讯作者之一，也是化学生物化学学院和化学工程学院(ChBE)的副教授。“我们开始思考如何利用地球较低的重力和缺氧，创造与地球发射无关的解决方案。”
艺术家与人类在火星的栖息地。来源：NASA。
“2，3-丁二醇已经存在了很长时间，但我们从未想过将其用作推进剂。经过分析和初步实验研究，我们意识到它实际上是一个很好的候选，”丹尼尔古根海姆航空航天工程研究所燃料研究副教授孙文婷说。
佐治亚理工学院的团队遍布校园。化学家、化学工程师、机械工程师和航空工程师共同努力，开发出一种可行的火星燃料的想法和工艺。除了Kruyer、Peralta-Yahya和孙，该团队还包括燃烧专家、乔治w伍德鲁夫机械工程学院副教授Caroline Genzale，过程综合与设计专家Matthew Realff，教授、高级研究员。
该团队现在正在寻求生物和材料优化，以减轻bio-isru工艺的重量，并使其比提议的化学工艺更轻。例如，提高火星上蓝细菌的生长速度将缩小光生物反应器的尺寸，并显著减少从地球运输设备所需的有效载荷。
“我们还需要进行实验来证明蓝细菌可以在火星条件下生长，”从事基于藻类的过程分析的Realff说。“我们需要考虑火星上太阳光谱的差异，这不仅是由于与太阳的距离，也是由于大气对太阳光的过滤不足。高紫外线水平会损害蓝细菌。”
佐治亚理工学院的研究小组强调，承认两个星球之间的差异对于ISRU在火星上开发生产燃料、食品和化学品的有效技术至关重要。这就是为什么他们应该在这项研究中解决生物学和材料方面的挑战，并努力为人类在地球之外生存的未来目标做出贡献。
Kruyer补充说，“Peralta-Yahya实验室擅长为合成生物学和生物技术寻找令人兴奋的新应用，并解决可持续发展中令人兴奋的问题。”“在火星上应用生物技术是利用有限可用资源和最少起始材料的最佳方式。”
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