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赏金总量：60 USD
研究种类：Space Exploration, Mars, Fuel
原文作者: ScienceDaily
创作者：Skyh@DAOrayaki.org
审核者：Heyyawn@DAOrayaki.org
原文: Making Martian rocket biofuel on Mars; Bacteria for blastoff: Using microbes to make supercharged new rocket fuel; Carbon dioxide reactor makes 'Martian fuel'; Breakthrough in converting carbon dioxide into fuel using solar energy
火星上的未来燃料有多种可能性。研究人员已经提出一种概念，即在火星上制造火星火箭燃料，这种燃料可以用来将未来的宇航员送回地球。同时生物燃料科学家使用一种由细菌制造的古怪分子来开发一种新的可持续生物燃料，这种燃料的威力足以发射火箭。候选分子的预计能量密度比任何石油产品都高，包括领先的航空和火箭燃料 JetA 和 RP-1。再者，工程师们正在开发将温室气体转化为燃料的新方法，以应对气候变化并让宇航员从火星返回地球。一个研究小组已经展示了太阳能如何利用先进的材料和超快激光光谱将二氧化碳转化为燃料。这一突破可能是未来减少大气中温室气体含量的重要一环。
在火星上制造火星火箭生物燃料
佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology ）的研究人员已经提出一种概念，即在火星上制造火星火箭燃料，用来将未来的宇航员送回地球。
生物制造过程将使用红色星球本身的三种资源: 二氧化碳、阳光和冻结的水。它还包括将两种微生物运送到火星。第一种是蓝藻，它从火星大气层中吸收二氧化碳，利用阳光制造糖分。一种经过改造的大肠杆菌将从地球运来，将这些糖转化为火星特有的推进剂，用于火箭和其他推进装置。目前已经存在的火星推进剂，被称为2,3-丁二醇，可以由大肠杆菌产生，在地球上用来制造生产橡胶的聚合物。
离开火星的火箭发动机目前计划使用甲烷和液氧(LOX)作为燃料。两者都不存在于这颗红色的行星上，这意味着它们需要从地球运输到火星轨道，以便为返回的航天器提供动力。这种运输成本很高: 运输所需的30吨甲烷和液氧估计耗资80亿美元。为了降低成本，美国宇航局已经提议使用化学催化将火星上的二氧化碳转化为液氧，尽管这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种基于生物技术的原位资源利用策略，该策略可以从二氧化碳中生产推进剂和 LOX。研究人员说，利用火星资源在火星上制造推进剂可能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，这些氧气可以留出来用于其他目的，例如支持人类定居。
“二氧化碳是火星上仅有的资源之一。众所周知，生物学特别擅长将二氧化碳转化为有用的产品，这使得它非常适合制造火箭燃料。”Nick Kruyer 说，他是这项研究的第一作者，最近获得了乔治亚理工学院化学和生物分子工程(ChBE)的博士学位。
论文概述了这一过程，首先将塑料材料运送到火星，然后将其组装成占地四个足球场大小的光生物反应器。蓝细菌通过光合作用(需要二氧化碳)在反应器中生长。酶在一个单独的反应器中将蓝细菌分解成糖，这些糖可以喂给大肠杆菌来产生火箭推进剂。采用先进的分离方法从大肠杆菌发酵液中分离出推进剂。
该研究小组的研究发现，生物 ISRU 战略比提出的化学战略(从地球运输甲烷并通过化学催化产生氧气)节省32% 的能源(但重量是三倍以上)。
因为火星上的重力只有地球上的三分之一，研究人员能够创造性地思考潜在的燃料。
帕梅拉 · 佩拉尔塔-叶海亚(Pamela Peralta-Yahya)是这项研究的通讯作者，同时也是化学与生物化学学院(School of Chemical & Biochemical)和大英商学院(ChBE)的副教授，她设计了生产化学物质的微生物。她说，“在火星上发射所需的能量要少得多，这让我们能够灵活地考虑在地球上不为火箭发射设计的不同化学物质我们开始考虑如何利用火星引力较低和缺氧的优势，制定与地球发射不同的解决方案。”
“2,3-丁二醇已经存在很长时间了，但我们从来没有想过把它用作推进剂。经过分析和初步的实验研究，我们意识到它实际上是一个很好的候选。（Wenting Sun说，她是丹尼尔·古根海姆航空航天工业奖学院（Daniel Guggenheim School of Aerospace Engineering） 研究燃料的副教授。
乔治亚理工大学的团队横跨校园。化学家、化学工程师、机械工程师和航空航天工程师共同开发想法和工艺，以创造一种可行的火星燃料。除了 Kruyer，Peralta-Yahya 和 Sun，这个团队还包括燃烧专家、 George W. Woodruff 机械工程学院副教授 Caroline Genzale，以及以及工艺合成和设计专家、ChBE教授和David Wang Sr. Fellow Matthew Realff。
研究小组现在正在寻求对已确定的生物和材料进行优化，以减轻生物 ISRU（bio-ISRU） 工艺的重量，使其比拟议的化学工艺更轻。例如，提高蓝藻在火星上生长的速度将减少光生物反应器的尺寸，大大降低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藻可以在火星条件下生长,”Realff 说，他从事基于藻类的过程分析。“我们需要考虑火星上太阳光谱的差异，一方面是由于距离太阳的距离，另一方面是由于大气层没有对太阳光进行过滤。高紫外线水平可能会损害蓝藻。”
佐治亚理工学院的研究小组强调，承认两颗行星之间的差异对于开发 ISRU 在火星上生产燃料、食品和化学品的高效技术至关重要。这就是为什么他们在研究中要解决生物和材料方面的挑战，以努力实现未来人类在地球以外存在的目标。
“ 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，解决令人兴奋的可持续性问题,”Kruyer 补充说。“在火星上应用生物技术是利用有限的可用资源和最少的起始材料的完美方式。”
用于发射的细菌: 利用微生物制造新型增压火箭燃料
生物燃料科学家使用一种由细菌制造的古怪分子来开发一种新的可持续生物燃料，这种燃料的威力足以发射火箭。候选分子的预计能量密度比任何石油产品都高，包括领先的航空和火箭燃料 JetA 和 RP-1。
将石油转化为燃料涉及到19世纪人类首次发明的原油化学。与此同时，数十亿年来，细菌一直在生产碳基能量分子。你认为哪个工作更胜一筹？
由劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)领导的一组生物燃料专家充分意识到了生物燃料的优势，他们从链霉菌属细菌制造的一种非凡的抗真菌分子中获得灵感，开发出一种全新的燃料，这种燃料预计的能量密度比目前使用的最先进的重型燃料(包括美国宇航局使用的火箭燃料)还要大。
“这种生物合成途径为获得高能量密度燃料提供了一条清洁的途径，在这项工作之前，这种燃料只能通过使用剧毒合成过程从石油中生产,”项目负责人杰伊 · 基斯林说，他是合成生物学的先驱，也是能源部联合生物能源研究所(JBEI)的首席执行官。“由于这些燃料是以植物物质为食的细菌产生的——植物物质是由从大气中提取的二氧化碳制成的——在发动机中燃烧它们将大大减少相对于石油产生的任何燃料的温室气体添加量。”
这些被称为 POP-FAME (聚环丙烷化脂肪酸甲酯)的候选燃料分子具有不可思议的能量潜力，来自其结构的基本化学性质。聚环丙烷分子含有多个三角形状的三碳环，迫使每个碳-碳键成一个 60 度的锐角。与通常在燃料中发现的较大的环状结构或碳-碳链相比，这种应变键中的势能转化为更多的燃烧能。此外，这些结构使得燃料分子能够在一个很小的体积内紧密地聚集在一起，从而增加了适合任何给定容器的燃料的质量，进而增加了总能量。
“使用石油化工燃料，你会得到各种各样的分子，你不能很好地控制这些化学结构。但这就是我们长期使用的燃料，我们设计的所有发动机都使用石油衍生物,”Eric Sundstrom 说，他是发表在《焦耳》杂志上描述 POP 燃料候选物的论文的作者，也是伯克利实验室先进生物燃料和生物产品过程开发部(ABPDU)的研究科学家。
Sundstrom 说: “这项工作背后的较大财团 Co-Optima 获得了资助，它不仅考虑从生物原料中重新制造同样的燃料，还考虑我们如何制造性能更好的新燃料。导致这一结果的问题是: ‘什么样的有趣结构是生物学能够创造而石油化学不能创造的？"
寻找新环
凯斯林同时也是加州大学伯克利分校的教授，他对环丙烷分子的研究已经有很长一段时间了。他搜寻了科学文献中有关具有三碳环的有机化合物的资料，只发现了两个已知的例子，它们都是由链霉菌产生的，在实验室环境中几乎不可能生长。幸运的是，由于对其抗真菌特性的兴趣，其中一种分子已经被研究和遗传分析。这种天然产物发现于1990年，被命名为颌萨霉素，因为它史无前例的五个环丙烷环使它看起来像一个长满尖牙的下巴。
Keasling 的团队由 JBEI 和 ABPDU 的科学家组成，他们研究了原始菌株(玫瑰链霉菌)中编码下颌霉素生成酶的基因，并对相关链霉菌的基因组进行了深入研究，寻找一种酶的组合，这种酶可以在跳过结构的其他部分的同时，与下颌霉素的牙环组成一个分子。就像一个面包师重写食谱，以发明完美的甜点，该团队希望重新混合现有的细菌机械，以创造一个新的分子具可立即燃烧的燃料特性。
第一作者巴勃罗 · 克鲁兹-莫拉莱斯(Pablo Cruz-Morales)在一种名为白网沙门氏菌的菌株中发现了制造环丙烷的新酶后，能够组装制造 POP-FAME 所需的所有成分。“我们在成千上万的基因组中寻找自然产生我们需要的物质的途径。这样我们就避免了那些可能有效也可能无效的工程，而是使用了大自然的最佳解决方案。”克鲁兹-莫拉莱斯说。他是丹麦技术大学诺和诺德基金会生物可持续性中心的高级研究员，也是与凯斯林合作的酵母天然产物实验室的共同首席研究员。
不幸的是，当涉及到生产力时，这些细菌就不那么合作了。链霉菌在每个大陆的土壤中无处不在，它们以能够制造出不同寻常的化学物质而闻名。克鲁兹-莫拉莱斯说: “今天使用的许多药物，如免疫抑制剂、抗生素和抗癌药物，都是由工程化的链霉菌制造的。但它们非常反复无常，不适合在实验室里使用。他们很有才华，但他们是天后。”当两种不同的基因工程链霉菌不能制造足够数量的 POP-FAME 时，他和他的同事们不得不把它们新排列的基因簇复制到一个更“温顺”的亲戚体内。
由此产生的脂肪酸含有多达七个环丙烷环链上的碳骨架，为他们赢得了燃霉素的名称。在类似于生物柴油生产的过程中，这些分子只需要一个额外的化学处理步骤，它们就可以作为燃料。
现在我们用的是环丙烷
尽管他们仍然没有生产出足够的候选燃料分子用于实地测试——“在真正的火箭发动机上进行测试需要10公斤的燃料，而我们还没有做到这一点,”克鲁兹-莫拉莱斯笑着解释道——他们能够评估基斯林关于能量密度的预测。
太平洋西北国家实验室的同事用核磁共振光谱分析了 POP-FAME，以证明难以捉摸的环丙烷环的存在。Sandia国家实验室的合作者使用计算机模拟来估计这些化合物与传统燃料相比的性能。
模拟数据表明，候选持久性有机污染物燃料在室温下是安全和稳定的，经过化学处理后，其能量密度值将超过每升50兆焦耳。普通汽油的价值为每升32兆焦耳，最常见的航空燃料 JetA 和广受欢迎的以煤油为基础的火箭燃料 rp1的价值约为每升35兆焦耳。
在他们的研究过程中，研究小组发现他们的 POP-FAME 在结构上非常接近苏联航天局在20世纪60年代开发的名为 Syntin 的实验性石油基火箭燃料，在70年代和80年代用于几次成功的联盟号火箭发射。尽管 Syntin 具有强大的性能，但由于高成本和令人不快的生产过程: 一系列有毒副产品的合成反应和一种不稳定的爆炸性中间体，Syntin 的生产被叫停。
“虽然 POP-FAME 的结构与 Syntin 相似，但其中许多都具有更高的能量密度。更高的能量密度可以降低燃料体积，这在火箭中可以增加有效载荷并减少总体排放量,”作者亚历山大•兰德拉(Alexander Landera)表示。兰德拉是桑迪亚的一名科学家。该团队的下一个目标是创建一个去除每个分子上的两个氧原子的过程，这增加了重量，但没有燃烧的好处。“当混合到航空燃料，适当脱氧版本的 POP-FAME 可以提供类似的好处,”兰德拉补充说。
自从发表了他们的概念验证论文以来，科学家们已经开始努力提高细菌的生产效率，甚至进一步产生足够的燃料以进行燃烧测试。他们还在研究如何修改多酶生产途径，以产生不同长度的聚环丙烷分子。“我们正在努力调整链长，以针对特定的应用,”Sundstrom 说。“长链燃料将是固体燃料，非常适合某些火箭燃料的应用，短链燃料可能更适合喷气燃料，中间可能是柴油替代分子。”
JBEI 技术经济分析总监科琳 · 斯科恩(Corinne Scown)补充道: “当涉及到航空和火箭技术时，能量密度就是一切，这是生物学真正能够发光发热的地方。这个团队可以根据我们在这些快速发展的领域所需的应用量身定制燃料分子。”
最终，科学家们希望将这一过程设计成一种主力细菌菌株，这种菌株可以从植物废弃的食物来源(比如清除了不可食用的农业残渣和用于防止野火而清除的灌木)中产生大量的持久性有机污染物分子，从而有可能产生最终的碳中性燃料。
谁愿意进行一些环保太空旅行？
这项工作得到了美国能源部科学办公室和能源效率和可再生能源办公室的支持。JBEI 是科学生物能源研究中心办公室。
二氧化碳反应堆制造“火星燃料”
辛辛纳提大学（University of Cincinnati ）的工程师们正在开发将温室气体转化为燃料的新方法，以应对气候变化，并让宇航员从火星返回地球。
加州大学工程与应用科学学院助理教授Jingjie Wu和他的学生在一个反应器中使用碳催化剂将二氧化碳转化为甲烷。该反应被已故法国化学家保罗·萨巴蒂尔称为“萨巴蒂尔反应”。国际空间站利用这个过程来清除宇航员呼吸的空气中的二氧化碳，并生成火箭燃料，以保持空间站在高轨道上运行。
但Wu的想法要大得多。
火星大气层几乎全部由二氧化碳组成。吴说，宇航员到达这颗红色星球后，通过在这颗红色星球上制造他们需要的东西，可以节省一半的返程燃料。
就像火星上的加油站。你可以很容易地将二氧化碳泵入这个反应堆，为火箭生产甲烷。”
加州大学的研究发表在《自然通讯》杂志上，与莱斯大学、上海大学和华东理工大学合作。
吴的化学工程职业生涯始于研究电动汽车的燃料电池，但大约 10 年前开始在他的化学工程实验室研究二氧化碳转化。
“我意识到温室气体将成为社会的一个大问题,”吴说。“许多国家意识到，二氧化碳是我们社会可持续发展的一个大问题。这就是为什么我认为我们需要实现碳中和。”
拜登政府设定的目标是到2030年实现温室气体污染物减少50% ，到2050年实现依赖可再生能源的经济。
“这意味着我们将不得不回收二氧化碳,”Wu说。
Wu和他的学生，包括第一作者和加州大学博士生Tianyu Zhang，正在实验不同的催化剂，如石墨烯量子点——只有纳米大小的碳层——可以增加甲烷的产量。
Wu说，这一进程有望帮助缓解气候变化。但是它在生产燃料作为副产品方面也有很大的商业优势。
“与10年前相比，这一过程的生产率提高了100倍。所以你可以想象进展会越来越快,”吴说。“在接下来的10年里，我们会有很多初创公司将这项技术商业化。”
Wu的学生们正在使用不同的催化剂来生产甲烷和乙烯。乙烯被称为世界上最重要的化学品，用于制造塑料、橡胶、合成服装等产品。
“绿色能源将非常重要。在未来，它将代表一个巨大的市场。所以我想在这方面努力。”Zhang 说。
Wu说，如果与太阳能或风能等可再生能源相结合，利用二氧化碳合成燃料在商业上变得更加可行。
他说：“现在我们有多余的绿色能源，我们只是扔掉。我们可以将这些过剩的可再生能源储存在化学品中。”
该过程可扩展用于可产生大量二氧化碳的发电厂。而且它是有效的，因为转换可以发生在产生过量二氧化碳的地方。
Wu说，二氧化碳燃料生产的进步使他更有信心，人类将在他的有生之年踏上火星。
“现在，如果你想从火星回来，你需要带两倍的燃料，这是非常重的,”他说。“在未来，你将需要其他燃料。而我们可以从二氧化碳中生产甲醇，并利用它们生产其他下游材料。也许有一天我们可以住在火星上。”
利用太阳能将二氧化碳转化为燃料的突破
瑞典隆德大学（Lund University）领导的一个研究小组利用先进的材料和超快激光光谱技术，展示了太阳能如何将二氧化碳转化为燃料。这一突破可能是未来减少大气中温室气体含量的重要一环。这项研究发表在《自然通讯》杂志上。
一小时内照射地球的太阳光大致相当于人类一整年的能源消耗总量。我们的全球二氧化碳排放量也在增加。利用太阳能捕获温室气体并将其转化为燃料或其他有用的化学物质，是当今许多人的研究重点。然而，仍然没有令人满意的解决方案，但一个国际研究小组现在已经揭示了一个可能的前进方向。
“这项研究结合了吸收太阳光并利用其能量转化二氧化碳的材料。在超快激光光谱学的帮助下，我们已经精确地绘制出了在这个过程中发生的情况。”隆德大学的化学研究员 Tönu Pullerits 说。
研究人员研究了一种叫做 COF 的多孔有机材料——共价有机构造体。这种材料能非常有效地吸收阳光而闻名。通过在 COF 中添加一种所谓的催化复合物，他们在没有任何额外能量的情况下成功地将二氧化碳转化为一氧化碳。
“转化为一氧化碳需要两个电子。当我们发现带有蓝光的光子产生具有高能级的长寿命电子时，我们可以简单地用电子给 COF 充电，然后完成一个反应,”隆德大学的化学研究员 Kaibo Zheng 说。
这些结果如何有用？Tönu Pullerits 和 Kaibo Zheng 希望这一发现在未来可以用于开发更大的设备，这些设备可以在全球范围内使用，在太阳的帮助下，从大气中吸收二氧化碳，并将其转化为燃料或化学品。这可能是克服我们面临的气候危机的众多解决方案之一。
“我们用两个电子完成了两个初始步骤。在我们开始考虑二氧化碳转换器之前，还需要采取更多的步骤，甚至可能我们的前两个步骤都必须得到完善。但我们已经确定了一个非常有希望的方向。”Tönu Pullerits 总结道。
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