Si los humanos alguna vez esperan colonizar Marte, los colonos necesitarán fabricar en el planeta una amplia gama de compuestos orgánicos, de los combustibles a las drogas, que son demasiado caras para enviar desde la Tierra.

Universidad de California, Berkeley, y los químicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) tienen un plan para eso.

Durante los últimos ocho años, Los investigadores han estado trabajando en un sistema híbrido que combina bacterias y nanocables que pueden capturar la energía de la luz solar para convertir el dióxido de carbono y el agua en bloques de construcción de moléculas orgánicas. Los nanocables son alambres delgados de silicio de aproximadamente una centésima parte del ancho de un cabello humano, utilizado como componentes electrónicos, y también como sensores y células solares.

"En Marte, aproximadamente el 96% de la atmósfera es CO2. Básicamente, todo lo que necesita son estos nanocables semiconductores de silicio para absorber la energía solar y pasarla a estos insectos para que hagan la química por usted, "dijo el líder del proyecto Peidong Yang, profesor de química y la Cátedra Distinguida de Energía de S. K. y Angela Chan en UC Berkeley. "Para una misión en el espacio profundo, te importa el peso de la carga útil, y los sistemas biológicos tienen la ventaja de que se auto-reproducen:no es necesario enviar mucho. Por eso nuestra versión biohíbrida es muy atractiva ".

El único otro requisito, además de la luz del sol, es agua, que en Marte es relativamente abundante en los casquetes polares y probablemente se encuentra congelado bajo tierra en la mayor parte del planeta, dijo Yang, quien es científico de la facultad senior en Berkeley Lab y director del Instituto Kavli Energy Nanocience.

El biohíbrido también puede extraer dióxido de carbono del aire en la Tierra para producir compuestos orgánicos y, al mismo tiempo, abordar el cambio climático. que es causado por un exceso de CO2 producido por el hombre en la atmósfera.

En un nuevo artículo que se publicará el 31 de marzo en la revista Joule , los investigadores informan de un hito al empaquetar estas bacterias (Sporomusa ovata) en un "bosque de nanocables" para lograr una eficiencia récord:el 3.6% de la energía solar entrante se convierte y se almacena en enlaces de carbono, en forma de una molécula de dos carbonos llamada acetato:esencialmente ácido acético, o vinagre.

Las moléculas de acetato pueden servir como bloques de construcción para una variedad de moléculas orgánicas, desde combustibles y plásticos hasta medicamentos. Muchos otros productos orgánicos podrían obtenerse a partir de acetato dentro de organismos modificados genéticamente, como bacterias o levaduras.

El sistema funciona como la fotosíntesis, que las plantas emplean naturalmente para convertir el dióxido de carbono y el agua en compuestos de carbono, principalmente azúcar y carbohidratos. Plantas sin embargo, tienen una eficiencia bastante baja, por lo general, convierte menos del medio por ciento de la energía solar en compuestos de carbono. El sistema de Yang es comparable a la planta que mejor convierte CO2 en azúcar:caña de azúcar, que es 4-5% eficiente.

Yang también está trabajando en sistemas para producir de manera eficiente azúcares y carbohidratos a partir de la luz solar y el CO2. potencialmente proporcionando alimento para los colonos de Marte.

Mira el pH

Cuando Yang y sus colegas demostraron por primera vez su reactor híbrido de nanocables y bacterias hace cinco años, la eficiencia de conversión solar fue de solo un 0,4%, comparable a las plantas, pero sigue siendo baja en comparación con las eficiencias típicas del 20% o más para los paneles solares de silicio que convierten la luz en electricidad. Yang fue uno de los primeros en convertir nanocables en paneles solares, hace unos 15 años.

Inicialmente, los investigadores intentaron aumentar la eficiencia empaquetando más bacterias en los nanocables, que transfieren electrones directamente a las bacterias para la reacción química. Pero las bacterias se separaron de los nanocables, rompiendo el circuito.

Los investigadores finalmente descubrieron que los errores, como produjeron acetato, disminuyó la acidez del agua circundante, es decir, aumentó una medida llamada pH y los hizo separarse de los nanocables. Él y sus estudiantes finalmente encontraron una manera de mantener el agua un poco más ácida para contrarrestar el efecto del aumento del pH como resultado de la producción continua de acetato. Esto les permitió empaquetar muchas más bacterias en el bosque de nanocables, aumentando la eficiencia casi en un factor de 10. Pudieron operar el reactor, un bosque de nanocables paralelos, durante una semana sin que las bacterias se despeguen.

En este experimento en particular, los nanocables se usaron solo como cables conductores, no como absorbentes solares. Un panel solar externo proporcionó la energía.

En un sistema del mundo real, sin embargo, los nanocables absorberían la luz, generar electrones y transportarlos a las bacterias adheridas a los nanocables. Las bacterias absorben los electrones y, similar a la forma en que las plantas producen azúcares, convierte dos moléculas de dióxido de carbono y agua en acetato y oxígeno.

"Estos nanocables de silicio son esencialmente como una antena:capturan el fotón solar como un panel solar, "Dijo Yang." Dentro de estos nanocables de silicio, generarán electrones y los alimentarán con estas bacterias. Entonces las bacterias absorben CO2, haz la química y escupe acetato ".

El oxígeno es un beneficio secundario y, en Marte, podría reponer la atmósfera artificial de los colonos, que imitaría el ambiente de 21% de oxígeno de la Tierra.

Yang ha modificado el sistema de otras formas, por ejemplo, incrustar puntos cuánticos en la propia membrana de las bacterias que actúan como paneles solares, absorbiendo la luz solar y obviando la necesidad de nanocables de silicio. Estas bacterias cyborg también producen ácido acético.

Su laboratorio continúa buscando formas de aumentar la eficiencia del biohíbrido, y también está explorando técnicas para modificar genéticamente las bacterias para hacerlas más versátiles y capaces de producir una variedad de compuestos orgánicos.