Lasers movidos a energia solar que funcionam com a maquinaria fotossintética de bactérias poderão um dia fornecer um meio de baixa massa, simples e sustentável de fornecer energia no espaço, substituindo as habituais lentes pesadas e componentes eletrônicos complexos que não são muito econômicos para lançar.
“Nosso plano é usar estruturas fotossintéticas extraídas de bactérias, e a ideia é que você possa cultivá-las e continuar reabastecendo material, você não precisa manter uma linha de abastecimento de Terra”, disse Erik Gauger, professor de fotônica e ciência quântica na Universidade Heriot Watt em Edimburgo e líder do novo projeto, ao Space.com.
Como o número de satélites na órbita do nosso planeta continua a cresceros cientistas começaram a se concentrar em como fornecer energia para esses satélites a longo prazo. Com melhores mecanismos de energia, é provável que consigamos aumentar a vida útil das naves espaciais. Uma solução potencial é a transmissão de energia – usando painéis solares para converter o sola luz em lasers ou microondas que pode ser transmitido em direção a um satélite atingido para ligá-lo através de um receptor na lateral desse satélite.
No início de 2023, os primeiros testes de transmissão de energia de espaço transmitiu com sucesso microondas de baixa potência, totalizando não mais do que alguns miliwatts, do satélite Space Solar Power Demonstrator para uma estação terrestre em Caltech. Em 2025, os investigadores japoneses pretendem alcançar um feito semelhante.
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No entanto, os painéis solares podem ser grandes e volumosos, e seus projetos e circuitos complexos significariam que qualquer parque solar em órbita exigiria substituição ou reparo regular. Provavelmente é melhor encontrar um método mais sustentável e autossuficiente, e os investigadores que trabalham no projecto APACE pensam que têm uma solução. Com esse projeto, eles buscam adaptar as estruturas moleculares que permitem a fotossíntese das bactérias para um sistema de laser que possa ser usado no espaço.
“Nossa ideia principal é substituir a óptica de concentração pelos complexos de antenas fotossintéticas”, disse Gauger.
A APACE envolve investigadores do Reino Unido, Alemanha, Itália e Polónia, e está a ser financiada pelo Conselho Europeu de Inovação e pela Innovate UK no valor de 476.000 euros para a fase 1. Gauger, como gestor de projeto da APACE, explicou o que a fase 1 envolve: “Para no momento, tentando fazer a prova de princípio na Terra em nossos laboratórios, e iremos testá-la em condições espaciais simuladas no final do projeto.”
Isso levaria a equipe a extrair e experimentar as antenas moleculares para determinar quais espécies de bactérias produzem as mais utilizáveis para naves espaciais movidas a energia solar. Os pesquisadores também explorarão estruturas de antenas artificiais de nanoengenharia para comparar o quão eficientes e utilizáveis elas são em comparação com a variedade orgânica.
Algumas bactérias extremófilas, por exemplo, são capazes de prosperar em condições de pouca luz por terem antenas moleculares capazes de absorver praticamente todos os fótons que caem sobre elas e direcionar a energia para onde for necessária na biologia celular da bactéria.
O projeto APACE busca adaptar essas bactérias, extraindo suas antenas e utilizando-as para absorver a luz solar. A energia solar seria então desviada para o mecanismo do laser. Os lasers operam usando um “meio de ganho” dentro da cavidade do laser. Quando os fótons interagem com o meio de ganho eles geram mais fótons — o que é chamado de emissão estimulada — amplificando-os, até que haja o suficiente para produzir um feixe intenso e coerente. A equipe está considerando a possibilidade de usar nanocristais de neodímio como meio de ganho, e a luz solar coletada pelas antenas fotossintetizantes da bactéria fornecerá os fótons para iniciar o laser e manter sua atividade.
A bactéria poderia ser cultivada no espaço, talvez no Estação Espacial Internacional ou em um satélite, eliminando a necessidade de lançamentos contínuos da Terra para manter e substituir antigos painéis solares.
No entanto, como disse Gauger, o lançamento real de um protótipo no espaço exigiria muito mais financiamento e dependeria do sucesso da fase 1.
Nesta fase, as vantagens de uma versão bem-sucedida do protótipo não são necessariamente a eficiência, embora isso possa surgir mais tarde. Um típico painel solar à base de silício converte a luz solar em eletricidade com uma eficiência de cerca de 30%, gerando algumas centenas de watts por metro quadrado. Embora as bactérias a partir das quais as antenas fotossintéticas estão a ser adaptadas tenham uma eficiência próxima dos 100%, os painéis solares orgânicos concebidos como parte do projecto APACE só conseguirão converter 10-15% da luz solar em energia.
Embora isto seja muito mais pobre do que o que a natureza faz, “talvez isso não seja surpreendente, uma vez que a evolução o otimizou ao longo de um longo período de tempo”. tempo“, disse Gauger. “Não sabemos exatamente por que a fotossíntese é tão eficiente como é, e não somos tão bons em movimentar energia no nível molecular com estruturas artificiais, e nossos materiais não são tão fortemente absorventes. “
Deixando de lado as limitações, a APACE ainda proporcionará avanços significativos. “É uma arquitetura muito diferente”, disse Gauger. Com uma típica célula solar à base de silício, a energia é recolhida, mas depois algo tem de ser feito com ela, utilizando componentes eletrónicos, para a transformar em algo utilizável. “No nosso caso, estamos tentando fazer isso sem nada elétrico – sem bateria; sem circuitos.” O aparelho biológico fotossintetizante converte automaticamente a luz solar em laser sem precisar de todo esse maquinário.
E é preciso mencionar que o céu é o limite no que diz respeito ao potencial desta tecnologia. Se for bem-sucedido, então, em virtude de ser uma tecnologia mais simples e autossustentável, que não requer lançamentos espaciais frequentes transportando cargas pesadas, poderá reduzir o custo da transmissão de energia. Não é necessário limitar-se a ligar satélites em Órbita terrestrequalquer; potencialmente poderia ser usado para transmitir energia para bases ou veículos no lua ou Marte algum dia.
“A capacidade poderia ser ampliada no espaço cultivando mais bactérias e fabricando-as lá, em vez de precisar despachá-las”, disse Gauger. “Alguns dos problemas de engenharia provavelmente estão um pouco atrasados, mas essa é a visão de longo prazo.”
