Tin tức Vũ trụ TV

Trên sao Hỏa hoặc Trái đất, sinh học có thể biến carbon dioxide thành các sản phẩm mới

Ngày:
Th4 01, 2020
Tóm lược:

Các nhà hóa học đã tạo ra một hệ thống lai giữa vi khuẩn và dây nano thu năng lượng từ ánh sáng mặt trời và chuyển nó sang vi khuẩn để biến carbon dioxide và nước thành các phân tử hữu cơ và oxy. Trên trái đất, một sinh học như vậy có thể loại bỏ carbon dioxide trong khí quyển. Trên sao Hỏa, nó sẽ cung cấp cho thực dân nguyên liệu thô để sản xuất các hợp chất hữu cơ từ nhiên liệu đến thuốc. Hiệu quả lớn hơn hiệu quả quang hợp của hầu hết các nhà máy.

Share:
CÂU CHUYỆN ĐẦY ĐỦ

Một thiết bị để thu khí carbon dioxide từ không khí và chuyển đổi nó thành các sản phẩm hữu cơ hữu ích. Bên trái là buồng chứa các dây nano / vi khuẩn lai làm giảm CO2 để tạo thành acetate. Bên phải là buồng chứa oxy. (Ảnh UC Berkeley của Peidong Yang)
Một thiết bị để thu khí carbon dioxide từ không khí và chuyển đổi nó thành các sản phẩm hữu cơ hữu ích. Bên trái là buồng chứa các dây nano / vi khuẩn lai làm giảm CO2 để tạo thành acetate. Bên phải là buồng chứa oxy. (Ảnh UC Berkeley của Peidong Yang)

Nếu con người từng hy vọng xâm chiếm sao Hỏa, những người định cư sẽ cần sản xuất trên hành tinh một loạt các hợp chất hữu cơ khổng lồ từ nhiên liệu đến ma túy mà quá đắt để vận chuyển từ Trái đất.

Các nhà hóa học của Đại học California, Berkeley và Lawrence Berkeley (Phòng thí nghiệm Berkeley) có kế hoạch cho việc đó.

Trong tám năm qua, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu một hệ thống lai kết hợp vi khuẩn và dây nano có thể thu năng lượng của ánh sáng mặt trời để chuyển đổi carbon dioxide và nước thành các khối xây dựng cho các phân tử hữu cơ. Nanowires là dây silicon mỏng khoảng một phần trăm chiều rộng của tóc người, được sử dụng làm linh kiện điện tử, cũng như cảm biến và pin mặt trời.

“Trên sao Hỏa, khoảng 96% bầu khí quyển là CO 2 . Về cơ bản, tất cả những gì bạn cần là các dây nano bán dẫn silicon này để lấy năng lượng mặt trời và truyền nó cho các lỗi này để thực hiện hóa học cho bạn”, Giáo sư hóa học và Chủ tịch xuất sắc về năng lượng của SK và Angela Chan tại UC Berkeley, lãnh đạo dự án Peidong Yang cho biết. “Đối với một nhiệm vụ không gian sâu, bạn quan tâm đến trọng lượng tải trọng và hệ thống sinh học có lợi thế là chúng tự sinh sản: Bạn không cần phải gửi nhiều. Đó là lý do tại sao phiên bản sinh học của chúng tôi rất hấp dẫn.”

Yêu cầu duy nhất khác, ngoài ánh sáng mặt trời là nước trên sao Hỏa tương đối dồi dào trong các tảng băng cực và có khả năng nằm dưới lòng đất trên hầu hết hành tinh, Yang, một nhà khoa học cao cấp tại Berkeley Lab và giám đốc của Kavli nói. Viện khoa học năng lượng.

Sinh học cũng có thể kéo carbon dioxide từ không khí trên Trái đất để tạo ra các hợp chất hữu cơ và đồng thời giải quyết biến đổi khí hậu, nguyên nhân là do dư thừa CO 2 do con người tạo ra trong khí quyển.

Trong một bài báo mới được công bố ngày 31 tháng 3 trên tạp chí Joule , các nhà nghiên cứu đã báo cáo một cột mốc quan trọng trong việc đóng gói các vi khuẩn này ( Sporomusa ovata ) vào một “rừng dây nano” để đạt được hiệu quả kỷ lục: 3,6% năng lượng mặt trời tới được chuyển đổi và được lưu trữ trong các liên kết carbon, dưới dạng một phân tử hai carbon gọi là acetate: chủ yếu là axit axetic hoặc giấm.

Các phân tử axetat có thể đóng vai trò là các khối xây dựng cho một loạt các phân tử hữu cơ, từ nhiên liệu và nhựa đến thuốc. Nhiều sản phẩm hữu cơ khác có thể được tạo ra từ acetate bên trong các sinh vật biến đổi gen, chẳng hạn như vi khuẩn hoặc nấm men.

Hệ thống này hoạt động giống như quang hợp mà thực vật sử dụng một cách tự nhiên để chuyển đổi carbon dioxide và nước thành các hợp chất carbon, chủ yếu là đường và carbohydrate. Tuy nhiên, thực vật có hiệu quả khá thấp, thường chuyển đổi ít hơn một nửa phần trăm năng lượng mặt trời thành các hợp chất carbon. Hệ thống của Yang tương đương với nhà máy chuyển đổi tốt nhất CO 2 thành đường: mía, hiệu quả 4-5%.

Yang cũng đang nghiên cứu các hệ thống để sản xuất đường và carbohydrate hiệu quả từ ánh sáng mặt trời và CO 2 có khả năng cung cấp thực phẩm cho thực dân sao Hỏa.

Theo dõi độ pH

Khi Yang và các đồng nghiệp lần đầu tiên trình diễn lò phản ứng lai vi khuẩn dây nano năm năm trước, hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời chỉ khoảng 0,4% – tương đương với thực vật, nhưng vẫn thấp so với hiệu suất điển hình từ 20% trở lên đối với các tấm pin mặt trời silicon chuyển đổi Ánh sáng để điện. Yang là một trong những người đầu tiên biến dây nano thành các tấm pin mặt trời khoảng 15 năm trước.

Một vi sóng điện tử quét của một vi khuẩn lai dây nano hoạt động ở độ axit tối ưu, hoặc pH, để vi khuẩn đóng gói chặt chẽ xung quanh các dây nano. Đóng gói cho phép chuyển đổi năng lượng mặt trời thành các liên kết carbon hiệu quả hơn. Thanh tỷ lệ là 1/100 milimet, hoặc 10 micron. (Ảnh UC Berkeley của Peidong Yang)
Một vi sóng điện tử quét của một vi khuẩn lai dây nano hoạt động ở độ axit tối ưu, hoặc pH, để vi khuẩn đóng gói chặt chẽ xung quanh các dây nano. Đóng gói cho phép chuyển đổi năng lượng mặt trời thành các liên kết carbon hiệu quả hơn. Thanh tỷ lệ là 1/100 milimet, hoặc 10 micron. (Ảnh UC Berkeley của Peidong Yang)

Các nhà nghiên cứu ban đầu đã cố gắng tăng hiệu quả bằng cách đóng gói nhiều vi khuẩn hơn vào các dây nano, chúng chuyển điện tử trực tiếp đến vi khuẩn cho phản ứng hóa học. Nhưng vi khuẩn tách ra khỏi các dây nano, phá vỡ mạch.

Các nhà nghiên cứu cuối cùng đã phát hiện ra rằng những con bọ khi chúng tạo ra acetate sẽ làm giảm độ axit của nước xung quanh – nghĩa là, tăng một phép đo gọi là pH – và khiến chúng tách ra khỏi dây nano. Cuối cùng, ông và các sinh viên của mình đã tìm ra cách giữ cho nước có tính axit cao hơn một chút để chống lại tác động của việc tăng pH do sản xuất acetate liên tục. Điều này cho phép họ đóng gói nhiều vi khuẩn hơn vào rừng dây nano, tăng hiệu quả gần gấp 10 lần. Họ có thể vận hành lò phản ứng, một rừng dây nano song song trong một tuần mà không bị vi khuẩn lột ra.

Trong thí nghiệm đặc biệt này, các dây nano chỉ được sử dụng làm dây dẫn, không phải là chất hấp thụ năng lượng mặt trời. Một bảng điều khiển năng lượng mặt trời bên ngoài cung cấp năng lượng.

Tuy nhiên, trong một hệ thống trong thế giới thực, các dây nano sẽ hấp thụ ánh sáng tạo ra các electron và vận chuyển chúng đến các vi khuẩn được đưa lên dây nano. Các vi khuẩn lấy các electron và tương tự như cách thực vật tạo ra đường, chuyển đổi hai phân tử carbon dioxide và nước thành acetate và oxy.

Những dây nano silicon này về cơ bản giống như một ăng-ten: Chúng thu được photon mặt trời giống như một tấm pin mặt trời. Trong các dây nano silicon này, chúng sẽ tạo ra các electron và cung cấp cho các vi khuẩn này. Sau đó, vi khuẩn hấp thụ CO 2 , thực hiện hóa học và phun ra acetate.

Oxy là một lợi ích phụ và trên Sao Hỏa có thể bổ sung bầu không khí nhân tạo của thực dân, bắt chước môi trường oxy 21% của Trái đất.

Yang đã điều chỉnh hệ thống theo những cách khác – ví dụ, để nhúng các chấm lượng tử vào màng của vi khuẩn hoạt động như các tấm pin mặt trời, hấp thụ ánh sáng mặt trời và làm giảm nhu cầu về dây nano silicon. Những vi khuẩn cyborg cũng tạo ra axit axetic.

Phòng thí nghiệm của ông tiếp tục tìm kiếm các cách để tăng hiệu quả của sinh học, và cũng đang tìm hiểu các kỹ thuật chế tạo vi khuẩn để làm cho chúng linh hoạt hơn và có khả năng tạo ra nhiều hợp chất hữu cơ.

Nghiên cứu được hỗ trợ bởi một khoản trợ cấp từ NASA cho Trung tâm sử dụng kỹ thuật sinh học trong không gian (CUBES), một nỗ lực của nhiều trường đại học để phát triển các kỹ thuật sản xuất sinh học trong không gian.

Các đồng tác giả của UC Berkeley là các sinh viên tốt nghiệp hiện tại hoặc trước đây là Yude Su, Stefano Cestellos-Blanco và Ji Min Kim, những người đóng góp như nhau cho công việc; và các sinh viên tốt nghiệp Yue-xiao Shen, Qiao Kong, Dylan Lu, Chong Liu, Hao Zhang và Yuhong Cao.


Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Đại học California – Berkeley . Bản gốc được viết bởi Robert Sanders. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.


Tạp chí tham khảo :

  1. Yude Su, Stefano Cestellos-Blanco, Ji Min Kim, Yue-xiao Shen, Qiao Kong, Dylan Lu, Chong Liu, Hao Zhang, Yuhong Cao, Peidong Yang. Các giống lai Nanowire-Vi khuẩn đóng gói để cố định CO2 bằng năng lượng mặt trời hiệu quả . Joule , 2020; DOI: 10.1016 / j.joule.2020.03.001

Bài viết liên quan

Bài viết mới