China buktikan fotosintesis buatan di orbit, hasilkan oksigen dan bahan api roket

Ujian ringkas di orbit membuka jalan kepada penerbangan angkasa lepas berdikari

China mendakwa mencipta yang pertama dalam penghasilan sumber di angkasa lepas. Di stesen angkasa Tiangong, kru Shenzhou-19 menggunakan unit fotosintesis buatan yang kompak untuk menukar karbon dioksida dan air kepada dua bahan penting, iaitu oksigen untuk pernafasan dan etilena, sejenis hidrokarbon yang boleh digunakan dalam penghasilan bahan dorong roket. Demonstrasi itu, yang diselesaikan menerusi 12 ujian terkawal di dalam peranti berbentuk laci, menunjukkan bahawa kimia asas yang digunakan oleh tumbuhan di Bumi boleh direka untuk berfungsi di orbit.

Keistimewaan hasil ini bukan sekadar bahan yang terhasil, tetapi juga keadaan ketika proses itu berlaku. Sistem beroperasi pada suhu bilik dan tekanan biasa, berbeza daripada keadaan ekstrem yang diperlukan oleh banyak loji kimia. Dalam mikrograviti, angkasawan juga berjaya mengawal pergerakan gas dan cecair dengan tepat, satu cabaran yang diketahui berlaku apabila gelembung tidak naik dan cecair tidak mendap. Pasukan itu merekodkan hasil secara masa nyata, sekali gus mengesahkan penghasilan oksigen dan pembentukan hidrokarbon.

Teknologi itu dibangunkan di China sejak 2015. Kejayaannya berfungsi di angkasa lepas merupakan pencapaian penting bagi sebarang rancangan yang mahu menyokong kru tanpa bekalan semula berterusan. Jika kapal angkasa boleh menghasilkan udara dan bahan api di tempat ia beroperasi, misi akan menjadi lebih ringan, selamat dan fleksibel. Peralatan yang sama boleh digunakan di pos luar di Bulan atau Marikh, yang mempunyai air dan karbon dioksida dalam bentuk beku atau atmosfera.

Pegawai berkata sistem itu boleh ditala dengan menukar pemangkin untuk menghasilkan bahan berbeza, termasuk metana dan asid formik. Metana sudah menjadi bahan api roket pilihan, manakala asid formik boleh menjadi bahan asas bagi kimia yang lebih kompleks, termasuk langkah ke arah sintesis gula untuk penyelidikan penghasilan makanan. Fleksibiliti itu membayangkan masa depan apabila satu kotak dapat menjalankan beberapa tugas, daripada sokongan hayat hingga bekalan pendorongan.

Bagaimana sistem ini berfungsi

Fotosintesis buatan meniru mekanisme tumbuhan, tetapi menggunakan bahan kejuruteraan dan bukannya daun. Secara ringkas, proses ini mempunyai dua bahagian. Bahagian pertama memecahkan air kepada oksigen, lalu menyalurkan O2 ke kabin. Bahagian kedua mengambil karbon dioksida lalu menambahkan elektron dan hidrogen untuk membina molekul seperti etilena, metana atau format. Tenaga diperoleh daripada cahaya matahari yang ditukar oleh panel solar, atau daripada cahaya yang mengaktifkan secara langsung pemangkin semikonduktor di dalam peranti.

Kimia dalam bahasa mudah

Di dalam unit Tiangong, pemangkin semikonduktor menyediakan permukaan untuk karbon dioksida dan air bertindak balas. Apabila tenaga dibekalkan, pemangkin membantu menyusun semula atom. Air membebaskan oksigen dan hidrogen. Karbon dioksida membekalkan karbon. Atom karbon bergabung dengan cara berbeza bergantung pada pemangkin. Pemangkin berasaskan kuprum cenderung menghubungkan atom karbon untuk membentuk etilena. Bahan lain menggalakkan pembentukan metana atau karbon monoksida. Jurutera memilih pemangkin untuk mendapatkan campuran yang dikehendaki.

Unit yang dibawa ke Tiangong nampaknya menggunakan laluan tindak balas pada suhu bilik yang tidak memerlukan tangki bertekanan tinggi atau suhu tinggi. Ini mengurangkan keperluan kuasa, yang penting bagi kapal angkasa yang perlu mengurus setiap watt. Peranti itu juga lebih mudah disepadukan dengan sistem pengurusan udara, kerana oksigen boleh mengalir pada tekanan kabin, manakala hidrokarbon boleh disimpan atau disalurkan untuk diproses tanpa pemampat tugas berat.

Apa yang dilakukan kru Tiangong

Kru Shenzhou-19, yang memulakan misi pada akhir Oktober 2024, menjalankan 12 eksperimen di dalam modul berbentuk laci. Peranti itu menempatkan pemangkin, saluran bendalir dan penderia yang diperlukan untuk mengurus tindak balas tiga fasa yang melibatkan gas, cecair dan komponen pepejal. Pasukan itu mengesahkan penghasilan oksigen dan mengukur kemunculan etilena, hasil sasaran utama bagi penyelidikan pendorongan.

Satu cabaran utama ialah mengawal bendalir dalam mikrograviti. Di Bumi, gas dan cecair berpisah secara semula jadi. Di orbit, tegangan permukaan menjadi faktor dominan. Perkakasan Tiangong dilengkapi saluran, membran dan kawalan aliran yang memastikan bahan tindak balas bersentuhan dengan pemangkin sambil mengalihkan hasil supaya tindak balas dapat diteruskan. Eksperimen itu merekodkan pergerakan gas dan tingkah laku pemisahan bagi membantu reka bentuk akan datang.

Mengapa pengendalian dalam mikrograviti penting

Jika gelembung melekat pada pemangkin, hasil pengeluaran akan merosot. Jika cecair tidak sampai ke permukaan tindak balas secara sekata, kawasan terlalu panas atau kering boleh terbentuk. Kawalan aliran yang tepat membezakan bukti konsep makmal daripada aliran produk yang boleh membekalkan tangki simpanan. Data yang dikumpulkan di Tiangong memberi jurutera panduan yang diperlukan untuk meningkatkan skala proses itu.

Ujian itu menambah senarai ujian stesen angkasa yang semakin panjang bagi mengkaji tindak balas proses harian tanpa graviti. Kajian terdahulu di Tiangong termasuk penanaman salad dan tomato, malah menyalakan mancis untuk mengkaji tingkah laku api. Kajian ini membina pengetahuan praktikal yang diperlukan untuk menjalankan kilang dan ladang di luar Bumi.

Kepentingan bagi sokongan hayat dan pendorongan

Setiap kilogram yang tidak perlu dilancarkan dari Bumi dengan roket dapat menjimatkan kos dan mengurangkan risiko. Oksigen ialah contoh utama. Stesen Angkasa Antarabangsa menghasilkan oksigen dengan memecahkan air dalam unit elektrolisis yang dikuasakan oleh tatasusunan solar. Kajian menganggarkan penghasilan oksigen menggunakan kira-kira satu pertiga daripada belanjawan tenaga sistem sokongan hayat stesen itu. Kaedah tersebut berkesan, namun kos kuasanya tinggi dan sistem itu masih bergantung pada bekalan semula air dan bahan guna habis secara berkala.

Fotosintesis buatan membuka laluan kedua. Ia boleh menukar karbon dioksida yang dihembus keluar oleh angkasawan kembali menjadi oksigen, sambil menghasilkan molekul hidrokarbon untuk bahan api dalam kotak yang sama. Tindak balas boleh berlaku pada suhu bilik dan tekanan kabin, sekali gus mengurangkan permintaan elektrik. Stesen atau pangkalan yang menghasilkan oksigen dan bahan dorong sendiri boleh memanjangkan sela masa antara bekalan semula dan menyediakan lebih banyak kuasa untuk sains serta operasi.

Kepelbagaian bahan yang boleh dihasilkan juga bermanfaat. Metana digunakan bersama oksigen cecair dalam banyak enjin moden, termasuk reka bentuk yang bertujuan untuk digunakan semula. Asid formik boleh menyimpan hidrogen secara kimia untuk kegunaan kemudian. Etilena boleh dibakar secara langsung atau ditapis menjadi bahan api dan bahan lain. Sistem yang menukar karbon buangan kepada molekul berguna meningkatkan nilai setiap liter air dan setiap watt cahaya matahari di stesen.

Bolehkah etilena menjadi bahan api kapal angkasa sebenar

Etilena ialah hidrokarbon ringkas yang mempunyai dua atom karbon. Ia mudah terbakar dengan oksigen cecair dan boleh digunakan sebagai bahan api dalam enjin atau pendorong. Etilena pernah digunakan dalam enjin penyelidikan dan penerbangan ujian. Prestasinya bergantung pada reka bentuk enjin, tetapi ia tergolong dalam keluarga yang sama seperti metana dan propana. Kelebihannya di orbit ialah etilena boleh terhasil secara langsung daripada pengurangan karbon dioksida apabila pemangkin berasaskan kuprum digunakan.

Namun, terdapat juga pertimbangannya. Etilena berbentuk gas pada suhu bilik, jadi penyimpanan memerlukan pemampatan atau penyejukan. Banyak misi memilih metana kerana ia lebih mudah dikendalikan pada suhu kriogenik bersama oksigen cecair. Etilena juga boleh menjadi bahan suapan. Dengan pemprosesan tambahan, ia boleh ditukar menjadi cecair atau plastik yang berguna untuk pembuatan. Eksperimen Tiangong menunjukkan pasukan itu mampu menghasilkan etilena sebagai sasaran, tetapi misi akan datang mungkin melaraskan pemangkin untuk menghasilkan metana atau format, bergantung pada kegunaannya.

Pemilihan bahan dorong hanya sebahagian daripada cerita. Oksigen merupakan bahagian berat dalam gabungan bahan dorong bagi hampir semua roket kimia. Sebarang peranti yang menghasilkan oksigen dengan kos rendah di angkasa mengurangkan jisim yang perlu dilancarkan. Walaupun hidrokarbon pada mulanya masih dibawa dari Bumi, stesen yang membekalkan oksigen secara tempatan akan menjadikan pengiraan misi lebih memihak.

Dari stesen angkasa ke Bulan

China menetapkan sasaran terbuka untuk pendaratan berawak di Bulan sebelum 2030 dan penubuhan Stesen Penyelidikan Antarabangsa Bulan pada awal hingga pertengahan 2030-an. Laporan pada 2024 menyebut rancangan menggunakan robot untuk memasang reaktor nuklear kompak bagi membekalkan kuasa kepada pangkalan itu. Kuasa ialah satu keperluan. Seterusnya ialah bekalan udara dan bahan api yang tidak bergantung pada penerbangan kargo. Ujian Tiangong dikemukakan sebagai asas bagi mencapai matlamat itu.

Rantaian bekalan orbit pada masa hadapan

Satu lagi aspek ialah keupayaan memindahkan dan berkongsi bahan dorong di orbit. Pada Januari 2025, China melancarkan satelit Shijian 25 untuk menguji teknologi pengisian bahan api semula. Jika digabungkan dengan pengeluaran di stesen, ujian pengisian bahan api semula membayangkan rantaian bekalan yang membolehkan satu platform menghasilkan komponen bahan api dan satu lagi mengagihkannya kepada satelit atau kenderaan pemindahan. Persediaan praktikalnya boleh jadi seperti berikut. Platform berawak atau robotik menggunakan fotosintesis buatan untuk menukar CO2 dan air kepada oksigen dan metana. Satelit tangki bertemu untuk mengumpul dan menghantar bahan dorong kepada kapal angkasa yang memerlukan tambahan daya tujahan. Di permukaan Bulan, unit serupa membekalkan oksigen kepada habitat dan menyimpan metana untuk pelancaran kembali ke orbit. Setiap lokasi menggunakan cahaya matahari tempatan atau kuasa nuklear untuk menjalankan tindak balas kimia itu.

Langkah seterusnya

Peranti Tiangong ialah bukti konsep, bukannya kilang. Untuk menyokong kru atau mengisi semula bahan api kenderaan, hasil pengeluaran perlu ditingkatkan beberapa kali ganda. Ini memerlukan kawasan tindak balas yang lebih besar, pengurusan haba yang lebih baik dan pemangkin yang tahan berbulan-bulan tanpa tersumbat. Sinaran angkasa dan perubahan suhu boleh merosakkan bahan. Jurutera perlu menguji ketahanan dan menggantikan komponen tanpa menghantar perkakasan besar ke angkasa.

Pemisahan dan penyimpanan juga sama mencabarnya. Oksigen mesti dibekalkan pada ketulenan tinggi untuk pernafasan dan enjin. Hidrokarbon mesti dipisahkan daripada hasil sampingan dan dimampatkan atau dicairkan dengan selamat. Pengendalian oksigen dan bahan api di dalam kapal angkasa meningkatkan risiko kebakaran, yang perlu dikurangkan oleh pereka melalui injap, penderia dan pengasingan ketat. Cabaran ini tidak mustahil diatasi, namun memerlukan kejuruteraan teliti dan ujian berulang.

Penyepaduan dengan gelung sokongan hayat akan menentukan manfaat sebenar. Di ISS, elektrolisis digabungkan dengan reaktor yang mencantumkan CO2 dan hidrogen untuk membentuk air dan metana, sekali gus menutup sebahagian daripada kitaran. Stesen masa depan boleh memilih salah satu laluan atau menggabungkan kedua-duanya. Reka bentuk terbaik mungkin menangkap CO2 daripada udara, menghasilkan oksigen secara berterusan dan menyalurkan hasil bahan api ke tempat simpanan ketika kuasa berlebihan. Operasi robotik penting untuk penggunaan rutin.

Kedudukan usaha ini dalam inisiatif global

Penghasilan sumber di luar Bumi menjadi tumpuan bersama agensi angkasa. NASA menerbangkan eksperimen MOXIE pada rover Perseverance untuk mengekstrak oksigen daripada atmosfera Marikh, sekali gus membuktikan unit kecil mampu menghasilkan oksigen di Marikh. Agensi Angkasa Eropah dan banyak makmal mengkaji fotopemangkin yang boleh menukar CO2 menggunakan cahaya matahari atau elektrik. Syarikat swasta mereka bentuk enjin metana untuk digunakan bersama oksigen yang dihasilkan di lokasi. Projek-projek ini berkongsi idea yang sama: gunakan bahan tempatan dan kurangkan jisim pelancaran.

Sehingga kini, kebanyakan ujian sokongan hayat di orbit menumpukan pada pertumbuhan tumbuhan, biologi dan elektrolisis. Ujian Tiangong merupakan laporan pertama tentang sistem pengurangan karbon dioksida yang menghasilkan hidrokarbon dan oksigen di orbit pada suhu bilik dan tekanan biasa. Langkah itu menggabungkan sokongan hayat dengan bekalan pendorongan dalam satu kotak. Ia meningkatkan tahap sasaran yang akan diusahakan oleh platform masa depan, sama ada di orbit rendah Bumi, ruang cislunar atau permukaan Bulan.

Persaingan boleh mempercepat kemajuan. Dengan rancangan membina pangkalan Bulan dan menjalankan misi ke angkasa lepas jauh, China mahu meningkatkan skala teknologi itu. Amerika Syarikat, Eropah, Jepun dan negara lain mempunyai program sumber in situ yang aktif dan mungkin menjalankan demonstrasi masing-masing tidak lama lagi. Bagi jurutera, matlamatnya ialah menghasilkan peralatan praktikal yang boleh berfungsi berbulan-bulan tanpa masalah.

Perkara utama

• Angkasawan Shenzhou-19 menjalankan 12 eksperimen fotosintesis buatan di Tiangong.
• Peranti itu menukar CO2 dan air kepada oksigen dan etilena pada suhu bilik dan tekanan biasa.
• Kawalan bendalir dalam mikrograviti dan pengesanan masa nyata disahkan sepanjang ujian.
• Dengan menukar pemangkin, sistem itu boleh disasarkan untuk menghasilkan metana atau asid formik bagi kegunaan berbeza.
• Berbanding elektrolisis air di ISS, kaedah ini bertujuan mengurangkan keperluan kuasa.
• Etilena boleh digunakan sebagai bahan dorong atau bahan suapan untuk menghasilkan bahan api dan bahan lain.
• China menggabungkan pengeluaran di orbit dengan ujian pengisian bahan api semula serta merancang pendaratan berawak di Bulan sebelum 2030.
• Cabaran utama seterusnya termasuk meningkatkan hasil pengeluaran, memastikan kestabilan jangka panjang serta penyimpanan dan pengendalian yang selamat.