|
Биокаталитический реактор для детоксикации воды на Марсе
|
|
|
|
Марс является следующим рубежом освоения человеком космоса: НАСА, Китай и SpaceX планируют отправить туда пилотируемые миссии в ближайшие десятилетия. В каждом случае планы состоят в создании на поверхности мест обитания, которые позволят проводить миссии по возвращению, проводить передовые исследования и, возможно, когда-нибудь даже создавать постоянные поселения. Хотя идея поставить сапоги на марсианскую почву является захватывающей, необходимо заранее решить множество проблем. Не последней из них является необходимость поиска источников воды, которые состоят в основном из подземных отложений водяного льда. Здесь кроется еще одна серьезная проблема: залежи марсианского льда загрязнены токсичными перхлоратами — сильными окислителями, которые вызывают коррозию оборудования и опасны для здоровья человека (даже в низких концентрациях). С этой целью миссии с экипажем должны иметь с собой специальное оборудование для удаления перхлоратов из воды на Марсе, если они собираются использовать ее для питья, орошения и производства топлива. В этом и заключается цель «Детоксикации Марса» — предложенной концепции, выбранной программой НАСА «Инновационные передовые концепции» (NIAC) для фазы I разработки.
|
|
|
|
Ведущим разработчиком этой концепции является Линн Ротшильд, старший научный сотрудник Исследовательского центра Эймса НАСА (ARC) и руководитель исследований и технологий Дирекции научно-технических миссий (STMD) в штаб-квартире НАСА. Как она и ее коллеги отметили в своем предложении, «масштаб ожидаемого спроса на воду на Марсе подчеркивает недостатки традиционных подходов к очистке воды, которые требуют либо большого количества расходных материалов, либо высокого электрического потребления, либо предварительной очистки воды». Перхлораты (ClO4-) — это химические соединения, содержащие перхлорат-ион, который образуется при окислении соединений хлора. Перхлоратные соли кинетически стабильны, хорошо растворимы, имеют низкую эвтектическую температуру (самую низкую возможную температуру, которую они могут достичь перед замерзанием) и становятся очень реакционноспособными при высоких температурах. Соли хлората (ClO3-) аналогичны, хотя они менее кинетически стабильны, чем перхлораты. Перхлораты были впервые обнаружены на Марсе с помощью прибора Лаборатории влажной химии (WCL) миссии «Феникс», которая приземлилась в северном регионе Ваститас Бореалис в мае 2008 года.
|
|
|
Обнаружив в этих северных равнинных почвах концентрацию около 0,5%, ученые поняли, почему предыдущие попытки найти органические молекулы в марсианской почве потерпели неудачу. Короче говоря, перхлорат не позволил масс-спектрометрам на «Фениксе» и знаменитых спускаемых кораблях «Викинг-1» и «Викинг-2» (которые исследовали Марс в период с 1976 по 1980 годы) ничего обнаружить. Это открытие привело к возобновлению интереса к поискам органики и астробиологическим исследованиям на Марсе, что привело к появлению марсоходов Curiosity и Perseverance. С тех пор концентрации перхлоратов (и, вероятно, хлоратов) были обнаружены многочисленными миссиями как с поверхности, так и с орбиты. Здесь, на Земле, перхлораты естественным образом восстанавливаются бактериями, обитающими в гиперзасоленных почвах, которые используются для обеззараживания воды. К сожалению, эти же самые бактерии непригодны для использования за пределами планеты, поскольку они не прошли испытания в космических полетах. Вместо этого Ротшильд и ее команда предполагают биореактор, который будет использовать синтетическую биологию, чтобы воспользоваться преимуществами (и улучшить) этого естественного процесса восстановления перхлоратов. В частности, их метод основан на двух ключевых генах, обнаруженных у наземных бактерий, восстанавливающих перхлораты (pcrAB и cld).
|
|
|
|
Эти гены затем встраиваются в проверенный в космических полетах штамм бактерий Bacillus subtilis 168, который естественным образом преобразует хлорат (ClO-3) и перхлорат (ClO4-) в хлорид (Cl-) и газообразный кислород (O2). Газообразный кислород можно было бы сразу использовать в марсианской среде обитания или хранить в резервуарах для выхода в открытый космос (EVA), а хлорид можно было бы использовать для различных целей, включая питание. Этот процесс очень устойчив, масштабируем и (в отличие от традиционных систем фильтрации) исключает необходимость сбрасывать перхлорат и хлоратные отходы в другое место. Обеспечив финансирование Фазы I, Ротшильд и ее коллеги планируют проверить возможность отправки биореактора на Марс. Первым шагом будет создание генов PcrAB и cld в штаммах B. subtilis 168 и проверка их способности снижать перхлорат. Они также планируют провести торговое исследование, чтобы сравнить производительность своего процесса с традиционными инженерными подходами, особенно с точки зрения массы, мощности и времени, необходимых для завершения процесса. Последний шаг будет заключаться в том, что Ротшильд и ее команда создадут план по включению этой технологии в архитектуру пилотируемой миссии на Марс.
|
|
|
|
«Система будет запущена в виде инертных, высушенных спор, стабильных при комнатной температуре в течение многих лет», — заявляют они. «По прибытии на Марс споры будут регидратированы и выращены в биореакторе, который соответствует стандартам планетарной защиты. Марсианская вода будет обработана в биореакторе для снижения содержания перхлоратов. Обработанную воду затем можно будет использовать или дополнительно очистить по мере необходимости». Как они также указывают в своем предложении, эта технология будет иметь значение для систем обеззараживания воды и восстановления окружающей среды здесь, на Земле: «Развитие нашей биотехнологии детоксикации также приведет к более эффективным решениям проблемы природного и особенно промышленного загрязнения перхлоратами Земли. Это также прольет свет на потенциал использования жизни, а не только промышленных решений для решения наших экологических проблем, которые могут стимулировать дальнейшие инновации для решения других наземных экологических проблем, таких как изменение климата».
|
|
|
|
Источник
|
