우주 식민지: 인공 광합성이 어떻게 지구 너머의 생명 유지에 핵심이 될 수 있는가?

2023년 6월 7일

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작성자: Katharina Brinkert, The Conversation

지구상의 생명체는 23억년 동안 진행된 과정인 광합성 덕분에 존재하게 되었습니다. 이 엄청나게 매혹적인(그리고 아직 완전히 이해되지 않은) 반응을 통해 식물과 다른 유기체는 햇빛, 물, 이산화탄소를 수확하고 이를 설탕 형태의 산소와 에너지로 전환할 수 있습니다.

광합성은 지구 기능의 필수적인 부분이므로 우리는 그것을 당연하게 여깁니다. 하지만 지구 너머를 탐색하고 정착할 장소를 찾아보면 그 과정이 얼마나 희귀하고 가치 있는지 분명해집니다.

내 동료와 나는 Nature Communications에 발표된 새로운 논문에서 조사한 바와 같이 인공 광합성의 최근 발전이 지구에서 살아남고 번영하는 데 핵심이 될 수 있습니다.

산소에 대한 인간의 필요로 인해 우주 여행이 까다로워집니다. 연료 제약으로 인해 우리가 가지고 다닐 수 있는 산소의 양이 제한됩니다. 특히 달과 화성까지 장거리 여행을 하려는 경우 더욱 그렇습니다. 화성으로의 편도 여행은 보통 2년 정도 걸리며, 이는 우리가 지구에서 자원 공급을 쉽게 보낼 수 없다는 것을 의미합니다.

국제우주정거장에서는 이미 이산화탄소를 재활용해 산소를 생산하는 방법이 나와 있다. ISS의 산소 대부분은 정거장의 태양광 패널에서 나오는 전기를 사용하여 물을 우주 비행사들이 호흡하는 수소 가스와 산소 가스로 분리하는 "전기 분해"라는 과정에서 나옵니다. 또한 우주 비행사들이 호흡하는 이산화탄소를 변환하는 별도의 시스템도 있습니다. 물과 메탄으로 배출됩니다.

그러나 이러한 기술은 신뢰할 수 없고 비효율적이며 무겁고 유지 관리가 어렵습니다. 예를 들어, 산소 생성 과정에는 "환경 제어 및 생명 유지"를 지원하는 ISS의 전체 시스템을 실행하는 데 필요한 전체 에너지의 약 1/3이 필요합니다.

따라서 달과 화성 여행에 사용할 수 있는 대체 시스템에 대한 연구가 진행 중입니다. 한 가지 가능성은 우주에 풍부한 태양 에너지를 수확하여 단 하나의 장치에서 산소 생산과 이산화탄소 재활용에 직접 사용하는 것입니다.

그러한 장치의 유일한 입력은 자연에서 진행되는 광합성 과정과 유사한 물입니다. 이는 ISS와 같이 빛 수확과 화학 생산의 두 가지 프로세스가 분리되는 복잡한 설정을 피할 수 있습니다.

이는 우주 탐사의 두 가지 핵심 기준인 시스템의 무게와 부피를 줄일 수 있다는 점에서 흥미롭습니다. 그러나 그것은 또한 더 효율적일 것입니다.

우리는 화학 반응을 촉매(점화)하기 위해 태양 에너지를 직접 포착하는 과정에서 방출되는 추가 열(열) 에너지를 사용하여 속도를 높일 수 있습니다. 또한 복잡한 배선 및 유지 관리도 크게 줄일 수 있습니다.

우리는 달과 화성에 적용하기 위한 통합 "인공 광합성" 장치의 성능을 분석하고 예측하기 위한 이론적 틀을 만들었습니다.

식물과 조류의 빛 흡수를 담당하는 엽록소 대신 이 장치는 원하는 화학 반응을 지원하는 간단한 금속 촉매로 직접 코팅할 수 있는 반도체 재료를 사용합니다.

우리의 분석에 따르면 이러한 장치는 실제로 ISS에 사용되는 산소 발생기 어셈블리와 같은 기존 생명 유지 기술을 보완할 수 있는 것으로 나타났습니다. 반응에 전력을 공급하기 위해 태양 에너지를 집중시키는 장치(기본적으로 들어오는 햇빛을 집중시키는 대형 거울)와 결합할 때 특히 그렇습니다.