Om människor någonsin hoppas kunna kolonisera Mars, nybyggarna kommer att behöva tillverka ett stort utbud av organiska föreningar på planeten, från bränsle till droger, som är för dyra att skicka från jorden.

University of California, Berkeley, och Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) kemister har en plan för det.

De senaste åtta åren, forskarna har arbetat på ett hybridsystem som kombinerar bakterier och nanotrådar som kan fånga solljusets energi för att omvandla koldioxid och vatten till byggstenar för organiska molekyler. Nanotrådar är tunna silikontrådar som är ungefär en hundradel av ett människohårs bredd, används som elektroniska komponenter, och även som sensorer och solceller.

"På Mars, cirka 96 % av atmosfären är CO2. I grund och botten, allt du behöver är dessa kiselhalvledar nanotrådar för att ta in solenergin och föra den vidare till dessa buggar för att göra kemin åt dig, " sa projektledaren Peidong Yang, professor i kemi och S. K. och Angela Chan Distinguished Chair in Energy vid UC Berkeley. "För ett djupt rymduppdrag, du bryr dig om lastens vikt, och biologiska system har fördelen att de självreproducerar sig:Du behöver inte skicka mycket. Det är därför vår biohybridversion är mycket attraktiv."

Det enda andra kravet, förutom solljus, är vatten, som på Mars är relativt rikligt i polarisarna och troligen ligger frusen under jorden över större delen av planeten, sa Yang, som är senior fakultetsforskare vid Berkeley Lab och chef för Kavli Energy Nanoscience Institute.

Biohybriden kan också dra koldioxid från luften på jorden för att göra organiska föreningar och samtidigt hantera klimatförändringar, som orsakas av ett överskott av mänskligt producerad CO2 i atmosfären.

I en ny artikel som kommer att publiceras den 31 mars i tidskriften Joule , forskarna rapporterar en milstolpe i att packa dessa bakterier (Sporomusa ovata) i en "skog av nanotrådar" för att uppnå rekordeffektivitet:3,6 % av den inkommande solenergin omvandlas och lagras i kolbindningar, i form av en tvåkolsmolekyl som kallas acetat:huvudsakligen ättiksyra, eller vinäger.

Acetatmolekyler kan fungera som byggstenar för en rad organiska molekyler, från bränslen och plaster till droger. Många andra ekologiska produkter kan tillverkas av acetat inuti genetiskt modifierade organismer, såsom bakterier eller jäst.

Systemet fungerar som fotosyntes, som växter naturligt använder för att omvandla koldioxid och vatten till kolföreningar, mestadels socker och kolhydrater. Växter, dock, har en ganska låg verkningsgrad, vanligtvis omvandlar mindre än en halv procent av solenergin till kolföreningar. Yangs system är jämförbart med den växt som bäst omvandlar CO2 till socker:sockerrör, vilket är 4-5 % effektivt.

Yang arbetar också med system för att effektivt producera socker och kolhydrater från solljus och CO2, potentiellt ge mat åt Mars-kolonister.

Titta på pH

När Yang och hans kollegor först demonstrerade sin hybridreaktor med nanotrådsbakterier för fem år sedan, solomvandlingseffektiviteten var bara cirka 0,4 % – jämförbar med anläggningar, men fortfarande låg jämfört med typiska verkningsgrader på 20 % eller mer för kiselsolpaneler som omvandlar ljus till elektricitet. Yang var en av de första som gjorde nanotrådar till solpaneler, för cirka 15 år sedan.

Forskarna försökte initialt öka effektiviteten genom att packa in fler bakterier på nanotrådarna, som överför elektroner direkt till bakterierna för den kemiska reaktionen. Men bakterierna separerade från nanotrådarna, bryta kretsen.

Forskarna upptäckte så småningom att insekterna, när de producerade acetat, minskade surheten i det omgivande vattnet – dvs. ökade en mätning som kallas pH – och fick dem att lossna från nanotrådarna. Han och hans elever hittade så småningom ett sätt att hålla vattnet något surare för att motverka effekten av stigande pH till följd av kontinuerlig acetatproduktion. Detta gjorde det möjligt för dem att packa in många fler bakterier i nanotrådskogen, ökade verkningsgraden nästan med en faktor 10. De kunde driva reaktorn, en skog av parallella nanotrådar, i en vecka utan att bakterierna skalar av.

I detta specifika experiment, nanotrådarna användes endast som ledande trådar, inte som solabsorbenter. En extern solpanel gav energin.

I ett verkligt system, dock, nanotrådarna skulle absorbera ljus, generera elektroner och transportera dem till bakterierna som är glommade på nanotrådarna. Bakterierna tar in elektronerna och, liknar hur växter gör socker, omvandla två koldioxidmolekyler och vatten till acetat och syre.

"Dessa nanotrådar av kisel är i grunden som en antenn:de fångar solfotonen precis som en solpanel, " Sa Yang. "Inom dessa kisel nanotrådar, de kommer att generera elektroner och mata dem till dessa bakterier. Då absorberar bakterierna CO2, gör kemin och spotta ut acetat."

Syret är en sidofördel och, på Mars, kunde fylla på kolonisternas konstgjorda atmosfär, som skulle efterlikna jordens 21 % syremiljö.

Yang har anpassat systemet på andra sätt – till exempel, att bädda in kvantprickar i bakteriens eget membran som fungerar som solpaneler, absorberar solljus och undviker behovet av nanotrådar av kisel. Dessa cyborgbakterier gör också ättiksyra.

Hans labb fortsätter att söka efter sätt att öka effektiviteten hos biohybriden, och undersöker också tekniker för att genmanipulera bakterierna för att göra dem mer mångsidiga och kapabla att producera en mängd olika organiska föreningar.