A vida na Terra deve sua existência à fotossíntese – um processo que tem 2,3 bilhões de anos. Essa reação imensamente fascinante (e ainda não totalmente compreendida) permite que as plantas e outros organismos colham luz solar, água e dióxido de carbono enquanto os convertem em oxigênio e energia na forma de açúcar.
A fotossíntese é uma parte tão integrante do funcionamento da Terra que a consideramos natural. Mas quando olhamos para além do nosso próprio planeta em busca de lugares para explorar e nos estabelecer, fica óbvio o quão raro e valioso é o processo.
Como meus colegas e eu investigamos em um novo artigo, publicado na Nature Communications, os recentes avanços na fotossíntese artificial podem ser a chave para sobreviver e prosperar longe da Terra.
A necessidade humana de oxigênio torna as viagens espaciais complicadas. As restrições de combustível limitam a quantidade de oxigênio que podemos carregar conosco, principalmente se quisermos fazer viagens de longa distância para a Lua e Marte. Uma viagem só de ida a Marte geralmente leva cerca de dois anos, o que significa que não podemos enviar facilmente suprimentos de recursos da Terra.
Já existem maneiras de produzir oxigênio reciclando dióxido de carbono na Estação Espacial Internacional. A maior parte do oxigênio da ISS vem de um processo chamado “eletrólise”, que usa eletricidade dos painéis solares da estação para dividir a água em gás hidrogênio e gás oxigênio, que os astronautas respiram.
Ele também tem um sistema separado que converte o dióxido de carbono que os astronautas expiram em água e metano.
Mas essas tecnologias não são confiáveis, ineficientes, pesadas e difíceis de manter. O processo de geração de oxigênio, por exemplo, requer cerca de um terço da energia total necessária para executar todo o sistema da ISS, suportando “controle ambiental e suporte à vida”.
Caminhos a seguir
A busca por sistemas alternativos que possam ser empregados na Lua e em viagens a Marte está, portanto, em andamento. Uma possibilidade é colher energia solar (que é abundante no espaço) e usá-la diretamente para produção de oxigênio e reciclagem de dióxido de carbono em apenas um dispositivo.
A única outra entrada em tal dispositivo seria a água – semelhante ao processo de fotossíntese que ocorre na natureza. Isso contornaria configurações complexas onde os dois processos de colheita de luz e produção química são separados, como na ISS.
Isso é interessante, pois pode reduzir o peso e o volume do sistema – dois critérios-chave para a exploração espacial. Mas também seria mais eficiente.
Poderíamos usar energia térmica (calor) adicional liberada durante o processo de captura de energia solar diretamente para catalisar (iniciar) as reações químicas – acelerando-as. Além disso, fiação complexa e manutenção podem ser significativamente reduzidas.
Produzimos uma estrutura teórica para analisar e prever o desempenho desses dispositivos integrados de “fotossíntese artificial” para aplicações na Lua e em Marte.
Em vez da clorofila, responsável pela absorção de luz nas plantas e algas, esses dispositivos usam materiais semicondutores que podem ser revestidos diretamente com catalisadores metálicos simples que suportam a reação química desejada.
Nossa análise mostra que esses dispositivos seriam de fato viáveis para complementar as tecnologias existentes de suporte à vida, como o conjunto do gerador de oxigênio empregado na ISS. Este é particularmente o caso quando combinado com dispositivos que concentram a energia solar para alimentar as reações (espelhos essencialmente grandes que focalizam a luz solar incidente).
Existem outras abordagens também. Por exemplo, podemos produzir oxigênio diretamente do solo lunar (regolito). Mas isso requer altas temperaturas para funcionar.
Dispositivos artificiais de fotossíntese, por outro lado, poderiam operar em temperatura ambiente nas pressões encontradas em Marte e na Lua. Isso significa que eles poderiam ser usados diretamente nos habitats e usando a água como principal recurso.
Isso é particularmente interessante, dada a presença estipulada de água gelada na cratera lunar Shackleton, que é um local de pouso previsto em futuras missões lunares.
Em Marte, a atmosfera é composta por quase 96% de dióxido de carbono – aparentemente ideal para um dispositivo de fotossíntese artificial. Mas a intensidade da luz no planeta vermelho é mais fraca do que na Terra devido à maior distância do Sol.
Então isso representaria um problema? Na verdade, calculamos a intensidade da luz solar disponível em Marte. Mostramos que podemos de fato usar esses dispositivos lá, embora os espelhos solares se tornem ainda mais importantes.
A produção eficiente e confiável de oxigênio e outros produtos químicos, bem como a reciclagem de dióxido de carbono a bordo de espaçonaves e em habitats, é um tremendo desafio que precisamos dominar para missões espaciais de longo prazo.
Os sistemas de eletrólise existentes, operando em altas temperaturas, requerem uma quantidade significativa de entrada de energia. E os dispositivos para converter dióxido de carbono em oxigênio em Marte ainda estão engatinhando, sejam eles baseados na fotossíntese ou não.
Portanto, são necessários vários anos de intensa pesquisa para poder usar essa tecnologia no espaço. Copiar as partes essenciais da fotossíntese da natureza pode nos dar algumas vantagens, ajudando-nos a realizá-las em um futuro não muito distante.
Uso no espaço e na Terra
Os retornos seriam enormes. Por exemplo, poderíamos realmente criar atmosferas artificiais no espaço e produzir produtos químicos necessários em missões de longo prazo, como fertilizantes, polímeros ou produtos farmacêuticos.
Além disso, os insights que obtemos ao projetar e fabricar esses dispositivos podem nos ajudar enfrentando o desafio da energia verde na Terra.
Temos a sorte de ter plantas e algas para produzir oxigênio. Mas os dispositivos de fotossíntese artificial poderiam ser usados para produzir hidrogênio ou combustíveis à base de carbono (em vez de açúcares), abrindo um caminho verde para a produção de produtos químicos ricos em energia que podemos armazenar e usar no transporte.
A exploração do espaço e nossa futura economia energética têm um objetivo de longo prazo muito semelhante: a sustentabilidade. Dispositivos artificiais de fotossíntese podem se tornar uma parte fundamental de sua realização.
Publicado em 11/06/2023 00h51
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