Se os humanos esperarem colonizar Marte, os colonos precisarão fabricar no planeta uma grande variedade de compostos orgânicos, de combustíveis a drogas, que são muito caros para enviar da Terra.

Universidade da Califórnia, Berkeley, e os químicos do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) têm um plano para isso.

Nos últimos oito anos, os pesquisadores têm trabalhado em um sistema híbrido que combina bactérias e nanofios que podem capturar a energia da luz solar para converter dióxido de carbono e água em blocos de construção para moléculas orgânicas. Nanofios são fios de silício finos com cerca de um centésimo da largura de um cabelo humano, usados ​​como componentes eletrônicos, e também como sensores e células solares.

"Em Marte, cerca de 96% da atmosfera é CO2. Basicamente, tudo que você precisa é desses nanofios semicondutores de silício para absorver a energia solar e passá-la para esses insetos para fazer a química por você, "disse o líder do projeto, Peidong Yang, professor de química e S. K. e Angela Chan Distinguished Chair in Energy na UC Berkeley. "Para uma missão no espaço profundo, você se preocupa com o peso da carga útil, e os sistemas biológicos têm a vantagem de se auto-reproduzir:você não precisa enviar muito. É por isso que nossa versão biohíbrida é altamente atrativa. "

O único outro requisito, além da luz do sol, é água, que em Marte é relativamente abundante nas calotas polares e provavelmente está congelado no subsolo na maior parte do planeta, disse Yang, que é cientista sênior do corpo docente do Berkeley Lab e diretor do Kavli Energy Nanoscience Institute.

O biohíbrido também pode extrair dióxido de carbono do ar na Terra para fazer compostos orgânicos e, simultaneamente, lidar com as mudanças climáticas, que é causado por um excesso de CO2 produzido pelo homem na atmosfera.

Em um novo artigo a ser publicado em 31 de março na revista Joule , os pesquisadores relatam um marco no empacotamento dessas bactérias (Sporomusa ovata) em uma "floresta de nanofios" para atingir uma eficiência recorde:3,6% da energia solar recebida é convertida e armazenada em ligações de carbono, na forma de uma molécula de dois carbonos chamada acetato:essencialmente ácido acético, ou vinagre.

As moléculas de acetato podem servir como blocos de construção para uma variedade de moléculas orgânicas, de combustíveis e plásticos a drogas. Muitos outros produtos orgânicos podem ser feitos de acetato dentro de organismos geneticamente modificados, como bactérias ou leveduras.

O sistema funciona como fotossíntese, que as plantas empregam naturalmente para converter dióxido de carbono e água em compostos de carbono, principalmente açúcar e carboidratos. Plantas, Contudo, têm uma eficiência bastante baixa, normalmente convertendo menos de meio por cento da energia solar em compostos de carbono. O sistema de Yang é comparável à planta que melhor converte CO2 em açúcar:a cana-de-açúcar, que é 4-5% eficiente.

Yang também está trabalhando em sistemas para produzir açúcares e carboidratos com eficiência a partir da luz solar e CO2, potencialmente fornecendo alimento para os colonos de Marte.

Observe o pH

Quando Yang e seus colegas demonstraram pela primeira vez seu reator híbrido de nanofios e bactérias, cinco anos atrás, a eficiência de conversão solar foi de apenas cerca de 0,4% - comparável às plantas, mas ainda baixo em comparação com as eficiências típicas de 20% ou mais para painéis solares de silício que convertem luz em eletricidade. Yang foi um dos primeiros a transformar nanofios em painéis solares, cerca de 15 anos atrás.

Os pesquisadores inicialmente tentaram aumentar a eficiência empacotando mais bactérias nos nanofios, que transferem elétrons diretamente para as bactérias para a reação química. Mas a bactéria se separou dos nanofios, quebrar o circuito.

Os pesquisadores finalmente descobriram que os insetos, como eles produziram acetato, diminuiu a acidez da água circundante, ou seja, aumentou uma medição chamada pH - e os separou dos nanofios. Ele e seus alunos finalmente encontraram uma maneira de manter a água um pouco mais ácida para neutralizar o efeito do aumento do pH como resultado da produção contínua de acetato. Isso permitiu que eles empacotassem muito mais bactérias na floresta de nanofios, aumentando a eficiência quase por um fator de 10. Eles foram capazes de operar o reator, uma floresta de nanofios paralelos, por uma semana sem a descamação da bactéria.

Neste experimento específico, os nanofios foram usados ​​apenas como fios condutores, não como absorvedores solares. Um painel solar externo fornecia a energia.

Em um sistema do mundo real, Contudo, os nanofios iriam absorver luz, gerar elétrons e transportá-los para as bactérias aglomeradas nos nanofios. As bactérias absorvem os elétrons e, semelhante à forma como as plantas produzem açúcares, converter duas moléculas de dióxido de carbono e água em acetato e oxigênio.

"Esses nanofios de silício são essencialmente como uma antena:eles capturam o fóton solar como um painel solar, "Yang disse." Dentro desses nanofios de silício, eles vão gerar elétrons e alimentá-los com essas bactérias. Em seguida, as bactérias absorvem CO2, faça a química e cuspa o acetato. "

O oxigênio é um benefício colateral e, em Marte, poderia reabastecer a atmosfera artificial dos colonos, que imitaria o ambiente de 21% de oxigênio da Terra.

Yang ajustou o sistema de outras maneiras, por exemplo, para incorporar pontos quânticos na própria membrana da bactéria que atuam como painéis solares, absorvendo a luz solar e eliminando a necessidade de nanofios de silício. Essas bactérias ciborgues também produzem ácido acético.

Seu laboratório continua procurando maneiras de aumentar a eficiência do biohíbrido, e também está explorando técnicas de engenharia genética de bactérias para torná-las mais versáteis e capazes de produzir uma variedade de compostos orgânicos.