Se gli umani sperano mai di colonizzare Marte, i coloni dovranno produrre sul pianeta una vasta gamma di composti organici, dai combustibili ai farmaci, che sono troppo costosi per essere spediti dalla Terra.

Università della California, Berkeley, e i chimici del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hanno un piano per questo.

Negli ultimi otto anni, i ricercatori hanno lavorato su un sistema ibrido che combina batteri e nanofili in grado di catturare l'energia della luce solare per convertire l'anidride carbonica e l'acqua in elementi costitutivi per le molecole organiche. I nanofili sono sottili fili di silicio circa un centesimo della larghezza di un capello umano, utilizzati come componenti elettronici, e anche come sensori e celle solari.

"Su Marte, circa il 96% dell'atmosfera è CO2. Fondamentalmente, tutto ciò di cui hai bisogno sono questi nanofili semiconduttori di silicio per assorbire l'energia solare e trasmetterla a questi insetti per fare la chimica per te, " ha detto il capo progetto Peidong Yang, professore di chimica e la Distinguished Chair in Energy di S. K. e Angela Chan alla UC Berkeley. "Per una missione nello spazio profondo, ti interessa il peso del carico utile, e i sistemi biologici hanno il vantaggio di riprodursi da soli:non è necessario inviare molto. Ecco perché la nostra versione bioibrida è molto attraente".

L'unico altro requisito, oltre alla luce del sole, è acqua, che su Marte è relativamente abbondante nelle calotte polari e probabilmente giace congelato nel sottosuolo su gran parte del pianeta, disse Yang, che è uno scienziato senior della facoltà al Berkeley Lab e direttore del Kavli Energy Nanoscience Institute.

Il bioibrido può anche estrarre l'anidride carbonica dall'aria sulla Terra per produrre composti organici e allo stesso tempo affrontare il cambiamento climatico, che è causato da un eccesso di CO2 prodotta dall'uomo nell'atmosfera.

In un nuovo articolo che sarà pubblicato il 31 marzo sulla rivista Joule , i ricercatori riportano una pietra miliare nell'impacchettare questi batteri (Sporomusa ovata) in una "foresta di nanofili" per raggiungere un'efficienza record:il 3,6% dell'energia solare in entrata viene convertita e immagazzinata in legami di carbonio, sotto forma di una molecola a due atomi di carbonio chiamata acetato:essenzialmente acido acetico, o aceto.

Le molecole di acetato possono fungere da elementi costitutivi per una serie di molecole organiche, dai combustibili e dalla plastica ai farmaci. Molti altri prodotti organici potrebbero essere ottenuti da acetato all'interno di organismi geneticamente modificati, come batteri o lieviti.

Il sistema funziona come la fotosintesi, che le piante impiegano naturalmente per convertire l'anidride carbonica e l'acqua in composti di carbonio, principalmente zucchero e carboidrati. Impianti, però, hanno un rendimento abbastanza basso, tipicamente convertendo meno della metà dell'energia solare in composti di carbonio. Il sistema di Yang è paragonabile alla pianta che converte meglio la CO2 in zucchero:la canna da zucchero, che è efficiente dal 4-5%.

Yang sta anche lavorando a sistemi per produrre in modo efficiente zuccheri e carboidrati dalla luce solare e dalla CO2, potenzialmente fornire cibo per i coloni di Marte.

Guarda il pH

Quando Yang e i suoi colleghi hanno dimostrato per la prima volta il loro reattore ibrido a nanofili e batteri cinque anni fa, l'efficienza di conversione solare era solo dello 0,4% circa, paragonabile agli impianti, ma ancora basso rispetto alle efficienze tipiche del 20% o più per i pannelli solari al silicio che convertono la luce in elettricità. Yang è stato uno dei primi a trasformare i nanofili in pannelli solari, circa 15 anni fa.

I ricercatori hanno inizialmente cercato di aumentare l'efficienza impacchettando più batteri sui nanofili, che trasferiscono gli elettroni direttamente ai batteri per la reazione chimica. Ma i batteri si sono separati dai nanofili, interrompendo il circuito.

I ricercatori alla fine hanno scoperto che gli insetti, mentre producevano acetato, diminuito l'acidità dell'acqua circostante, cioè, ha aumentato una misurazione chiamata pH e li ha fatti staccare dai nanofili. Lui ei suoi studenti alla fine hanno trovato un modo per mantenere l'acqua leggermente più acida per contrastare l'effetto dell'aumento del pH a causa della continua produzione di acetato. Questo ha permesso loro di impacchettare molti più batteri nella foresta di nanofili, aumentando l'efficienza di quasi un fattore 10. Sono stati in grado di far funzionare il reattore, una foresta di nanofili paralleli, per una settimana senza che i batteri si stacchino.

In questo particolare esperimento, i nanofili erano usati solo come fili conduttivi, non come assorbitori solari. Un pannello solare esterno ha fornito l'energia.

In un sistema reale, però, i nanofili assorbirebbero la luce, generare elettroni e trasportarli ai batteri appesi sui nanofili. I batteri assorbono gli elettroni e, simile al modo in cui le piante producono gli zuccheri, convertire due molecole di anidride carbonica e acqua in acetato e ossigeno.

"Questi nanofili di silicio sono essenzialmente come un'antenna:catturano il fotone solare proprio come un pannello solare, " disse Yang. "All'interno di questi nanofili di silicio, genereranno elettroni e li alimenteranno a questi batteri. Quindi i batteri assorbono CO2, fare la chimica e sputare acetato."

L'ossigeno è un vantaggio collaterale e, su Marte, potrebbe ricostituire l'atmosfera artificiale dei coloni, che imiterebbe l'ambiente di ossigeno al 21% della Terra.

Yang ha modificato il sistema in altri modi, ad esempio per incorporare punti quantici nella membrana dei batteri che fungono da pannelli solari, assorbendo la luce solare e ovviando alla necessità di nanofili di silicio. Questi batteri cyborg producono anche acido acetico.

Il suo laboratorio continua a cercare modi per aumentare l'efficienza del bioibrido, e sta anche esplorando tecniche per l'ingegneria genetica dei batteri per renderli più versatili e in grado di produrre una varietà di composti organici.