Pinatunayan ng China ang artipisyal na potosintesis sa orbit, na lumilikha ng oksiheno at panggatong ng rocket

Isang simpleng pagsubok sa orbit, hakbang tungo sa sariling-sapat na paglipad sa kalawakan

Nag-angkin ang China ng kauna-unahang produksyon ng yaman sa kalawakan. Sakay ng estasyong pangkalawakan na Tiangong, ginamit ng mga tripulante ng Shenzhou-19 ang isang compact na yunit ng artipisyal na potosintesis upang gawing dalawang mahalagang sangkap ang carbon dioxide at tubig: oksihenong nalalanghap at ethylene, isang hydrocarbon na maaaring gamitin sa paggawa ng panggatong ng rocket. Ipinakikita ng demonstrasyong ito, na isinagawa sa 12 kontroladong takbo sa loob ng aparatong hugis-drawer, na kayang iangkop upang gumana sa orbit ang pangunahing kimikang ginagamit ng mga halaman sa Daigdig.

Hindi lamang ang mga nalikha ang kapansin-pansin sa resulta, kundi pati ang mga kondisyong pinaggawaan ng mga ito. Gumana ang sistema sa temperatura ng silid at karaniwang presyon, sa halip na sa matitinding kondisyong kailangan ng maraming planta ng kemikal. Sa microgravity, nakontrol din nang tumpak ng mga astronaut ang galaw ng gas at likido, na kilalang hamon kapag hindi umaangat ang mga bula at hindi lumulubog ang mga likido. Itinala ng pangkat ang mga produkto habang nagaganap ang proseso, at kinumpirma ang paglikha ng oksiheno at mga hydrocarbon.

Binubuo na ang teknolohiyang ito sa China mula pa noong 2015. Mahalaga itong yugto para sa anumang planong naglalayong suportahan ang mga tripulante nang hindi palaging umaasa sa mga suplay mula sa Daigdig. Kung makagagawa ang mga sasakyang pangkalawakan ng hangin at panggatong kung saan man sila lumipad, magiging mas magaan, mas ligtas at mas nababagay ang mga misyon. Maaari ring gamitin ang kaparehong mga kagamitan sa mga himpilan sa Buwan o Mars, kung saan naroroon ang tubig at carbon dioxide sa anyong yelo o nasa atmospera.

Ayon sa mga opisyal, maaaring baguhin ang sistema sa pamamagitan ng pagpapalit ng mga katalista upang lumikha ng iba’t ibang produkto, kabilang ang methane at formic acid. Paboritong panggatong ng rocket ang methane, samantalang maaaring maging panimulang sangkap ang formic acid para sa mas masalimuot na kimika, kabilang ang mga hakbang tungo sa pagbuo ng asukal para sa pananaliksik sa produksyon ng pagkain. Ipinakikita ng kakayahang umangkop na posibleng isang kahon na lang ang humawak sa iba’t ibang gawain sa hinaharap, mula sa pagsuporta sa buhay hanggang sa pagsusuplay ng panggatong para sa pagpapaandar.

Kung paano gumagana ang sistema

Ginagaya ng artipisyal na potosintesis ang paraan ng mga halaman, ngunit gumagamit ito ng mga materyales na ininhinyero sa halip na mga dahon. Sa madaling sabi, may dalawang bahagi ang proseso. Hinahati ng isang bahagi ang tubig upang maging oksiheno, na ipinadadala naman ang O2 sa loob ng cabin. Kinukuha naman ng kabilang bahagi ang carbon dioxide at dinaragdagan ito ng mga electron at hydrogen upang makabuo ng mga molekula gaya ng ethylene, methane o formate. Nagmumula ang enerhiya sa sikat ng araw na kinukuha ng solar panel, o sa liwanag na direktang nagpapagana sa isang semiconducting catalyst sa loob ng aparato.

Ang kimika sa payak na pananalita

Sa loob ng yunit ng Tiangong, nagbibigay ang isang semiconducting catalyst ng ibabaw kung saan nag-uugnayan ang carbon dioxide at tubig. Kapag dumating ang enerhiya, tinutulungan ng katalista na muling ayusin ang mga atomo. Nagbibigay ang tubig ng oksiheno at hydrogen. Nagmumula naman sa carbon dioxide ang carbon. Nagkakabigkis sa iba’t ibang paraan ang mga atomo ng carbon depende sa katalista. Karaniwang pinagdurugtong ng mga katalistang gawa sa tanso ang mga carbon upang makabuo ng ethylene. Pabor naman ang ibang materyales sa methane o carbon monoxide. Pinipili ng mga inhinyero ang katalista batay sa halo ng mga produktong nais nilang makuha.

Mukhang gumagamit ang yunit na pinalipad sa Tiangong ng mga prosesong gumagana sa temperatura ng silid at hindi nangangailangan ng mga tangkeng may mataas na presyon o matataas na temperatura. Dahil dito, nababawasan ang kailangang enerhiya, na mahalaga sa sasakyang pangkalawakang kailangang bantayan ang bawat watt. Mas madali ring ikabit ang aparato sa mga sistema ng pamamahala ng hangin, dahil maaaring dumaloy ang oksiheno sa presyon ng cabin at maiimbak o ipadala para iproseso ang mga hydrocarbon nang hindi nangangailangan ng malalakas na compressor.

Ano talaga ang ginawa ng mga tripulante ng Tiangong

Nagsagawa ang mga tripulante ng Shenzhou-19, na nagsimula ng kanilang misyon noong huling bahagi ng Oktubre 2024, ng 12 eksperimento sa loob ng isang modyul na hugis-drawer. Nasa aparato ang mga katalista, kanal ng likido at sensor na kailangan upang pamahalaan ang reaksiyong may tatlong yugto, na kinasasangkutan ng gas, likido at mga bahaging solid. Kinumpirma ng pangkat ang produksyon ng oksiheno at sinukat ang paglitaw ng ethylene, isang mahalagang produktong target para sa pananaliksik sa propulsion.

Isa sa mga pangunahing hamon ang pagkontrol sa mga likido sa microgravity. Sa Daigdig, kusang naghihiwalay ang mga gas at likido. Sa orbit, nangingibabaw ang puwersa ng tensiyon sa ibabaw. May mga kanal, lamad at kontrol sa daloy ang aparatong Tiangong upang mapanatiling nagdidikit ang mga sangkap na nagrereaksiyon at ang katalista, habang inilalayo naman ang mga produkto upang magpatuloy ang reaksiyon. Itinala ng eksperimento ang paggalaw ng gas at ang asal ng paghihiwalay ng mga sangkap upang maging gabay sa mga disenyo sa hinaharap.

Bakit mahalaga ang paghawak sa mga likido sa microgravity

Kapag dumikit ang mga bula sa katalista, bumababa ang produksyon. Kung hindi pantay na nakararating ang mga likido sa ibabaw kung saan nagaganap ang reaksiyon, nagkakaroon ng mga bahaging sobrang init o natutuyo. Nakasalalay sa tumpak na pagkontrol sa daloy kung mananatili lamang sa antas ng patunay sa laboratoryo ang teknolohiya o makalilikha ito ng daloy ng produkto na maaaring ipasok sa tangke. Nagbibigay sa mga inhinyero ng impormasyong kailangan upang palakihin ang proseso ang datos mula sa Tiangong.

Bahagi ang pagsubok na ito ng dumaraming mga eksperimento sa estasyong pangkalawakan na sumusuri kung paano kumikilos ang mga pang-araw-araw na proseso kapag walang grabidad. Kabilang sa mga naunang gawain sa Tiangong ang pagtatanim ng letsugas at kamatis, at pagsisindi pa ng posporo upang pag-aralan ang asal ng apoy. Nakapagbibigay ang mga pag-aaral na ito ng praktikal na kaalamang kailangan upang magpatakbo ng mga pabrika at sakahan sa labas ng Daigdig.

Bakit mahalaga ito sa pagsuporta sa buhay at pagpapaandar

Bawat kilo ng kargamentong hindi kailangang isakay sa rocket mula sa Daigdig ay nakatitipid sa gastos at nakakabawas ng panganib. Pangunahing halimbawa nito ang oksiheno. Gumagawa ng oksiheno ang International Space Station sa pamamagitan ng paghahati sa tubig sa yunit ng electrolysis na pinatatakbo ng mga solar array. Tinataya sa pananaliksik na humigit-kumulang sangkatlo ng enerhiyang inilalaan sa pagsuporta sa buhay sa estasyon ang napupunta sa paglikha ng oksiheno. Gumagana ang paraang ito, ngunit mataas ang konsumo nito sa enerhiya at umaasa pa rin ang sistema sa pana-panahong suplay ng tubig at mga nauubos na gamit.

Nagbubukas ng ikalawang paraan ang artipisyal na potosintesis. Kaya nitong gawing oksiheno ang carbon dioxide na ibinubuga ng mga astronaut, habang lumilikha rin ito ng mga molekulang hydrocarbon para sa panggatong sa loob ng iisang kahon. Maaaring maganap ang mga reaksiyon sa temperatura ng silid at presyon ng cabin, kaya mas kaunti ang kailangang kuryente. Mapahahaba ng estasyon o himpilang gumagawa ng sarili nitong oksiheno at panggatong para sa propulsion ang pagitan ng mga paghahatid ng suplay, at mas maraming enerhiya ang maiiwan para sa agham at operasyon.

Mahalaga rin ang lawak ng mapagpipiliang produkto. Isinasama ang methane sa likidong oksiheno sa maraming makabagong makina, kabilang ang mga disenyong naglalayong magamit muli. Maaaring mag-imbak ng hydrogen sa anyong kemikal ang formic acid para magamit sa hinaharap. Maaaring direktang sunugin ang ethylene o iproseso pa upang maging iba pang panggatong at materyales. Kapag ginawang mga kapaki-pakinabang na molekula ng isang sistema ang carbon na kung hindi ay masasayang, mas napakikinabangan ang bawat litro ng tubig at bawat watt ng sikat ng araw sa estasyon.

Maaari bang maging panggatong ng mga tunay na sasakyang pangkalawakan ang ethylene

Isang simpleng hydrocarbon na may dalawang atomo ng carbon ang ethylene. Madali itong masunog kasama ng likidong oksiheno at maaaring gamiting panggatong sa mga makina o thruster. Nagamit na ito sa mga makinang pangpananaliksik at mga pagsubok na pagpapalipad. Nakasalalay sa disenyo ng makina ang husay nito, ngunit kabilang ito sa parehong pamilya ng methane at propane. Sa orbit, may pakinabang ang ethylene dahil maaari itong direktang mabuo mula sa pagbabawas ng carbon dioxide kapag gumamit ng katalistang gawa sa tanso.

May mga kapalit na konsiderasyon. Gas ang ethylene sa temperatura ng silid, kaya kailangan itong i-compress o palamigin para maimbak. Mas gusto ng maraming misyon ang methane dahil mas madaling hawakan ito sa mga cryogenic na temperatura kasama ng likidong oksiheno. Maaari ring maging panimulang sangkap ang ethylene. Sa dagdag na pagproseso, maaari itong gawing likido o plastik na kapaki-pakinabang sa pagmamanupaktura. Ipinakita ng eksperimento sa Tiangong na kayang makamit ng pangkat ang ethylene bilang target, ngunit maaaring iangkop ng mga susunod na misyon ang katalista upang methane o formate naman ang likhain, depende sa paggagamitan.

Bahagi lamang ng kuwento ang pagpili ng panggatong. Para sa halos lahat ng rocket na pinatatakbo ng reaksiyong kemikal, oksiheno ang mas mabigat na bahagi ng kargamento ng panggatong. Anumang aparatong murang makagagawa ng oksiheno sa kalawakan ay makababawas sa bigat na kailangang ilunsad. Kahit mula pa sa Daigdig manggaling sa simula ang mga hydrocarbon, makapagbabago nang paborable sa mga kalkulasyon ng misyon ang isang estasyong may lokal na suplay ng oksiheno.

Mula sa estasyong pangkalawakan hanggang sa Buwan

Nagtakda ang China ng pampublikong layuning makapagpalapag ng mga tripulante sa Buwan bago sumapit ang 2030 at magtayo ng International Lunar Research Station sa unang bahagi hanggang kalagitnaan ng dekada 2030. Inilarawan sa mga ulat noong 2024 ang mga planong gumamit ng mga robot upang magtipon ng isang compact na reaktor nuklear na magbibigay ng enerhiya sa himpilang iyon. Isa lamang sa mga kailangan ang enerhiya. Kailangan din ng tuloy-tuloy na suplay ng hangin at panggatong na hindi nakasalalay sa mga cargo flight. Inilalahad ang pagsubok sa Tiangong bilang pundasyon para sa layuning iyon.

Isang kadena ng suplay sa orbit sa hinaharap

Isa pang mahalagang kakayahan ang paglipat at pagbabahagi ng panggatong para sa propulsion sa orbit. Inilunsad ng China noong Enero 2025 ang satelayt na Shijian 25 upang subukan ang mga teknolohiya sa muling pagpapakarga ng panggatong. Kasabay ng produksyon sakay ng isang estasyon, ipinahihiwatig ng mga pagsubok sa muling pagpapakarga ang posibleng kadena ng suplay kung saan gumagawa ang isang plataporma ng mga sangkap ng panggatong at ipinamamahagi naman ito ng iba pang plataporma sa mga satelayt o sasakyang panglipat. Maaaring ganito ang praktikal na sistema: gagamit ang isang platapormang may tripulante o robot ng artipisyal na potosintesis upang gawing oksiheno at methane ang CO2 at tubig. Makikipagtagpo ang mga satelayt na tanker upang kumuha at maghatid ng panggatong sa mga sasakyang pangkalawakang nangangailangan ng tulak. Sa ibabaw ng Buwan, magsusuplay ng oksiheno sa mga tirahan ang kaparehong yunit at mag-iimbak ito ng methane para sa paglulunsad pabalik sa orbit. Gagamit ang bawat lokasyon ng lokal na sikat ng araw o enerhiyang nuklear upang paganahin ang kimika.

Ano ang kailangang gawin sa susunod

Patunay ng konsepto ang aparatong Tiangong, hindi pa ito pabrika. Kailangang dagdagan nang maraming ulit ang produksyon nito upang masuportahan ang isang tripulante o makapagpakarga muli ng panggatong sa mga sasakyan. Mangangailangan ito ng mas malalaking lugar para sa reaksiyon, mas mahusay na pamamahala ng init, at mga katalistang tatagal nang ilang buwan nang hindi nadudumihan o nawawalan ng bisa. Maaaring makasira sa mga materyales ang radyasyon sa kalawakan at malalaking pagbabago ng temperatura. Kailangang subukan ng mga inhinyero ang tibay ng mga ito at magpalit ng mga piyesa nang hindi nagpapadala ng mabibigat at malalaking kagamitan.

Gayundin kahirap ang paghihiwalay at pag-iimbak ng mga produkto. Kailangang mataas ang kadalisayan ng oksihenong ihahatid para sa paghinga at paggamit ng mga makina. Kailangang ihiwalay ang mga hydrocarbon sa mga byproduct at ligtas na i-compress o gawing likido. Nagdaragdag ng panganib ng sunog ang paghawak sa oksiheno at panggatong sa loob ng sasakyang pangkalawakan, kaya kailangang bawasan ito ng mga tagadisenyo sa pamamagitan ng mga balbula, sensor at mahigpit na paghihiwalay ng mga sangkap. Hindi imposible ang mga hamong ito, ngunit nangangailangan ang mga ito ng maingat na inhinyeriya at paulit-ulit na pagsubok.

Ang pagsasama ng sistema sa mga sirkito ng pagsuporta sa buhay ang magtatakda sa tunay na pakinabang nito. Sa ISS, kaagapay ng electrolysis ang isang reaktor na pinagsasama ang CO2 at hydrogen upang makabuo ng tubig at methane, kaya naisasara ang bahagi ng siklo. Maaaring mamili ang isang estasyon sa hinaharap sa iba’t ibang proseso o pagsamahin ang mga ito. Maaaring ang pinakamahusay na disenyo ay kumukuha ng CO2 mula sa hangin, tuloy-tuloy na gumagawa ng oksiheno, at naghahatid ng sobrang panggatong sa imbakan kapag may labis na suplay ng enerhiya. Mahalaga rin ang kakayahang patakbuhin ito ng mga robot para sa regular na paggamit.

Paano ito umaangkop sa mga pandaigdigang pagsisikap

Pinagtutuunan ng pansin ng mga ahensiya sa kalawakan sa iba’t ibang bansa ang produksyon ng yaman sa labas ng Daigdig. Pinalipad ng NASA ang eksperimento nitong MOXIE sa rover na Perseverance upang kumuha ng oksiheno mula sa atmospera ng Mars, at napatunayang makagagawa ng oksiheno roon ang isang maliit na yunit. Pinag-aaralan ng European Space Agency at maraming laboratoryo ang mga photocatalyst na kayang magpalit ng CO2 gamit ang sikat ng araw o kuryente. Nagdidisenyo naman ang mga pribadong kompanya ng mga makinang gumagamit ng methane upang ipares sa oksihenong ginagawa mismo sa lugar. Iisa ang ideya sa mga proyektong ito: gamitin ang mga lokal na materyales upang mabawasan ang bigat na kailangang ilunsad.

Hanggang ngayon, karaniwang nakatuon ang mga pagsubok sa pagsuporta sa buhay sa orbit sa pagtatanim, biyolohiya at electrolysis. Ito ang unang ulat ng sistemang nagbabawas ng carbon dioxide upang makagawa ng hydrocarbon at oksiheno sa orbit, sa temperatura ng silid at karaniwang presyon, mula sa pagsubok sa Tiangong. Pinag-iisa ng hakbang na ito sa iisang kahon ang pagsuporta sa buhay at pagsusuplay ng panggatong para sa propulsion. Itinatakda nito ang mas mataas na pamantayan para sa susubukan ng mga plataporma sa hinaharap, sa mababang orbit ng Daigdig man, sa kalawakang nasa pagitan ng Daigdig at Buwan, o sa ibabaw ng Buwan.

Maaaring magpabilis sa pag-unlad ang kompetisyon. Dahil sa mga planong magtayo ng himpilan sa Buwan at magsagawa ng mga misyon sa malalim na kalawakan, nanaisin ng China na palakihin ang teknolohiyang ito. May mga aktibong programa sa paggamit ng mga lokal na yaman sa kalawakan ang Estados Unidos, Europa, Japan at iba pa, at maaaring magsagawa rin sila ng sarili nilang mga demonstrasyon sa lalong madaling panahon. Para sa mga inhinyero, ang pinakamahalagang makamit ay praktikal na kagamitang gagana nang ilang buwan nang walang aberya.

Mahahalagang Punto

• Nagsagawa ang mga astronaut ng Shenzhou-19 ng 12 eksperimento sa artipisyal na potosintesis sa Tiangong.
• Ginawang oksiheno at ethylene ng aparato ang CO2 at tubig sa temperatura ng silid at karaniwang presyon.
• Pinatunayan sa mga pagsubok ang kakayahang kontrolin ang mga likido sa microgravity at tumukoy ng mga produkto habang nagaganap ang proseso.
• Sa pagpapalit ng mga katalista, maaaring ituon ng sistema ang produksyon sa methane o formic acid para sa iba’t ibang gamit.
• Kung ihahambing sa electrolysis ng tubig sa ISS, layunin ng paraang ito na mangailangan ng mas kaunting enerhiya.
• Maaaring gamiting panggatong ang ethylene o panimulang sangkap sa paggawa ng iba pang panggatong at materyales.
• Iniuugnay ng China ang produksyon sa orbit sa mga pagsubok sa muling pagpapakarga ng panggatong, habang nagpaplano itong magpalapag ng mga tripulante sa Buwan bago sumapit ang 2030.
• Kabilang sa mga pangunahing hamon ang pagpapalaki ng produksyon, pagpapanatili ng katatagan sa mahabang panahon, at ligtas na pag-iimbak at paghawak sa mga produkto.