På Mars eller Jorden, biohybrid kan omdanne kuldioxid til nye produkter

Hvis mennesker nogensinde håber at kolonisere Mars, nybyggerne bliver nødt til at fremstille et stort udvalg af organiske forbindelser på planeten, fra brændstoffer til medicin, der er for dyre at sende fra Jorden.

University of California, Berkeley, og Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) kemikere har en plan for det.

I de sidste otte år har forskerne har arbejdet på et hybridsystem, der kombinerer bakterier og nanotråde, der kan fange solens energi til at omdanne kuldioxid og vand til byggesten til organiske molekyler. Nanotråde er tynde siliciumtråde omkring en hundrededel af et menneskehårs bredde, bruges som elektroniske komponenter, og også som sensorer og solceller.

"På Mars, omkring 96% af atmosfæren er CO2. I bund og grund, alt du behøver er disse siliciumhalvleder -nanotråde til at tage solenergien ind og videregive den til disse fejl for at gøre kemien for dig, "sagde projektleder Peidong Yang, professor i kemi og S. K. og Angela Chan Distinguished Chair in Energy ved UC Berkeley. "For en dyb rummission, du bekymrer dig om nyttelasten, og biologiske systemer har den fordel, at de reproducerer sig selv:Du behøver ikke at sende meget. Derfor er vores biohybrid -version yderst attraktiv. "

Det eneste andet krav, udover sollys, er vand, som på Mars er relativt rigelig i polarisen og sandsynligvis ligger frosset under jorden over det meste af planeten, sagde Yang, som er seniorforsker ved Berkeley Lab og direktør for Kavli Energy Nanoscience Institute.

Biohybriden kan også trække kuldioxid fra luften på Jorden for at lave organiske forbindelser og samtidig håndtere klimaændringer, som skyldes et overskud af menneskeproduceret CO2 i atmosfæren.

I et nyt papir, der offentliggøres 31. marts i tidsskriftet Joule , forskerne rapporterer en milepæl i at pakke disse bakterier (Sporomusa ovata) ind i en "skov af nanotråde" for at opnå en rekordeffektivitet:3,6% af den indkommende solenergi omdannes og lagres i kulstofbindinger, i form af et to-kulstofmolekyle kaldet acetat:hovedsagelig eddikesyre, eller eddike.

Acetatmolekyler kan tjene som byggesten til en række organiske molekyler, fra brændstoffer og plast til medicin. Mange andre organiske produkter kunne fremstilles af acetat inde i genetisk manipulerede organismer, såsom bakterier eller gær.

Systemet fungerer som fotosyntese, som planter naturligt anvender til at omdanne kuldioxid og vand til kulstofforbindelser, mest sukker og kulhydrater. Planter, imidlertid, har en forholdsvis lav effektivitet, typisk konvertere mindre end en halv procent af solenergi til kulstofforbindelser. Yangs system kan sammenlignes med det anlæg, der bedst omdanner CO2 til sukker:sukkerrør, hvilket er 4-5% effektivt.

Yang arbejder også på systemer til effektivt at producere sukker og kulhydrater fra sollys og CO2, muligvis levere mad til kolonisterne på Mars.

Se pH

Da Yang og hans kolleger første gang demonstrerede deres nanotråd-bakterier hybridreaktor for fem år siden, solkonverteringseffektiviteten var kun ca. 0,4% - sammenlignelig med anlæg, men stadig lav i forhold til typiske effektiviteter på 20% eller mere for silicium solpaneler, der konverterer lys til elektricitet. Yang var en af ​​de første til at gøre nanotråde til solpaneler, omkring 15 år siden.

Forskerne forsøgte oprindeligt at øge effektiviteten ved at pakke flere bakterier på nanotråde, som overfører elektroner direkte til bakterierne til den kemiske reaktion. Men bakterierne adskilt fra nanotråde, bryde kredsløbet.

Forskerne opdagede til sidst, at fejlene, da de producerede acetat, nedsat surhed i det omgivende vand - det vil sige øget en måling kaldet pH - og fik dem til at løsrive sig fra nanotråde. Han og hans elever fandt til sidst en måde at holde vandet lidt mere surt for at modvirke effekten af ​​stigende pH som følge af kontinuerlig acetatproduktion. Dette tillod dem at pakke mange flere bakterier ind i nanotrådskoven, øger effektiviteten næsten med en faktor 10. De var i stand til at drive reaktoren, en skov af parallelle nanotråde, i en uge uden at bakterierne flåede af.

I dette særlige forsøg, nanotråde blev kun brugt som ledende ledninger, ikke som solfangere. Et eksternt solpanel gav energien.

I et virkeligt system, imidlertid, nanotråde ville absorbere lys, generere elektroner og transportere dem til de bakterier, der gløder på nanotråde. Bakterierne optager elektronerne og ligner den måde, planter producerer sukker, omdanne to kuldioxidmolekyler og vand til acetat og ilt.

"Disse silicon -nanotråde er i det væsentlige som en antenne:De fanger solfonen ligesom et solpanel, "Sagde Yang." Inden for disse silicium -nanotråde, de vil generere elektroner og fodre dem med disse bakterier. Derefter absorberer bakterierne CO2, gør kemien og spyt acetat ud. "

Iltet er en sidegevinst og, på Mars, kunne genopbygge kolonisternes kunstige atmosfære, som ville efterligne Jordens 21% iltmiljø.

Yang har justeret systemet på andre måder - f.eks. at integrere kvanteprikker i bakteriens egen membran, der fungerer som solpaneler, absorberer sollys og fjerner behovet for silicium nanotråde. Disse cyborg -bakterier danner også eddikesyre.

Hans laboratorium fortsætter med at søge efter måder at øge effektiviteten af ​​biohybrid, og undersøger også teknikker til genteknologi af bakterierne for at gøre dem mere alsidige og i stand til at producere en række organiske forbindelser.