La vida en la Tierra debe su existencia a la fotosíntesis, un proceso que tiene unos 2.300 millones de años. Esta reacción permite a las plantas y otros organismos recolectar luz solar, agua y dióxido de carbono mientras los convierte en oxígeno y energía.
“La fotosíntesis es una parte tan integral del funcionamiento de la Tierra que damos por sentada. Pero a medida que miramos más allá de nuestro propio planeta en busca de lugares para explorar y asentarnos, es obvio cuán raro y valioso es el proceso”, contó Robert E. Jinkerson, especialista del Centro de Biotecnología Industrial de la Universidad de California.
Con su equipo, publicaron un estudio en Nature Communications que reveló los avances recientes en la realización de la fotosíntesis artificial, una solución que bien puede ser clave para sobrevivir y prosperar lejos de la Tierra.
“La necesidad humana de oxígeno hace que los viajes espaciales sean complicados. Las restricciones de combustible limitan la cantidad de oxígeno que podemos llevar con nosotros, especialmente si queremos hacer trayectos a larga distancia hacia la Luna y Marte. Un viaje de ida al planeta rojo suele durar alrededor de dos años, lo que significa que no podemos enviar fácilmente suministros de recursos desde la Tierra”, siguió Jinkerson.
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Ya existen formas de producir oxígeno mediante el reciclaje de dióxido de carbono en la Estación Espacial Internacional (ISS). La mayor parte del oxígeno de la ISS proviene de un proceso llamado electrólisis, que utiliza la electricidad de los paneles solares de la estación para dividir el agua en gas hidrógeno y gas oxígeno, que los astronautas inhalan.
También tiene un sistema separado que convierte el dióxido de carbono que respiran los astronautas en agua y el metano. Pero estas tecnologías son poco fiables, ineficientes, pesadas y difíciles de mantener.
El proceso de generación de oxígeno, por ejemplo, requiere aproximadamente un tercio de la energía total necesaria para hacer funcionar todo el sistema de la ISS que respalda el control ambiental y el soporte vital.
En la búsqueda continua de sistemas alternativos que puedan emplearse en la Luna y en viajes a Marte. Una posibilidad es recolectar energía solar (que es abundante en el espacio) y usarla directamente para la producción de oxígeno y el reciclaje de dióxido de carbono en un solo dispositivo. La única otra entrada en un dispositivo de este tipo sería el agua, similar al proceso de fotosíntesis que ocurre en la naturaleza.
Eso evitaría configuraciones complejas donde los dos procesos de recolección de luz y producción química están separados, como en la ISS. Esto podría reducir el peso y el volumen del sistema, dos criterios clave para la exploración espacial.
Pero también sería más eficiente. ”Podríamos usar energía térmica adicional liberada durante el proceso de captura de energía solar directamente para encender las reacciones químicas, acelerándolas. Además, el cableado y el mantenimiento complejos podrían reducirse significativamente” aportó Jinkerson.
En el estudio, los investigadores produjeron un marco teórico para analizar y predecir el rendimiento de tales dispositivos integrados de fotosíntesis artificial para aplicaciones en la Luna y Marte.
En lugar de clorofila, que es responsable de la absorción de luz en plantas y algas, estos dispositivos utilizan materiales semiconductores que pueden recubrirse directamente con catalizadores metálicos simples que respaldan la reacción química deseada.
Eso significa que podrían ser utilizados directamente en los hábitats y aprovechar el agua como recurso principal. Este hallazgo resulta especialmente interesante considerando la presencia estimada de agua helada en el cráter Shackleton de la Luna, un lugar de aterrizaje ya seleccionado para futuras misiones lunares.
Por otro lado, en Marte, la atmósfera se compone casi en un 96% de dióxido de carbono, lo que parece ser ideal para un dispositivo de fotosíntesis artificial. Sin embargo, la intensidad de la luz en el planeta rojo es más débil que en la Tierra debido a la mayor distancia al Sol, lo que representa un desafío para su funcionamiento eficiente.
“Mostramos que efectivamente podemos utilizar estos dispositivos allí, aunque los espejos solares se vuelven aún más importantes”, confirmó Jinkerson.
La producción eficiente y confiable de oxígeno y otros productos químicos, así como el reciclaje de dióxido de carbono a bordo de las naves espaciales, se convierte en un desafío para las misiones espaciales a largo plazo. Se requieren varios años de investigación intensiva para lograr la implementación exitosa de esta tecnología en el espacio.
“Copiar los fragmentos esenciales de la fotosíntesis de la naturaleza podría brindarnos algunas ventajas, ayudándonos a realizarlos en un futuro no muy lejano. Los beneficios serían enormes. Por ejemplo, podríamos crear atmósferas artificiales en el espacio y producir los químicos que necesitamos en misiones a largo plazo, como fertilizantes, polímeros o productos farmacéuticos. Además, los conocimientos que obtenemos al diseñar y fabricar estos dispositivos podrían ayudarnos a enfrentar el desafío de la energía verde en la Tierra” afirmó Jinkerson.
Los dispositivos de fotosíntesis artificial podrían usarse para producir hidrógeno o combustibles a base de carbono (en lugar de azúcares), abriendo una vía verde para la producción de sustancias químicas ricas en energía que se pueden almacenar y usar en el transporte. La exploración del espacio y la futura economía energética tienen un objetivo a largo plazo muy similar: la sostenibilidad. “Los dispositivos de fotosíntesis artificial bien pueden convertirse en una parte clave para lograrlo”, concluyó Jinkerson.
El equipo de trabajo de esta investigación se completó con Elizabeth C. Hann, Sean Overa, Marcus Harland-Dunaway, Andrés F. Narvaez, Dang N. Le, Martha L. Orozco-Cárdenas y Feng Jiao.
