用細(xì)菌制造的超性能火箭燃料

圖：鏈霉菌培養(yǎng)過程啟發(fā)新型火箭燃料靈感

地球上的一些細(xì)菌或許可以進(jìn)一步拓展人類邊界。

研究人員表示，基于鏈霉菌形成的抗真菌分子或許可以制造新型生物燃料，從而用于未來的火箭發(fā)展環(huán)節(jié)。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員在新聞發(fā)布會(huì)上表示：“相比于當(dāng)前的火箭燃料，將碳排放至地球大氣中的生物友好型解決方案或許能形成更大的能源密度?！?/p>

生物能源研究院的能源部總裁，同時(shí)也是此次項(xiàng)目負(fù)責(zé)人的簡(jiǎn).科斯林（Jay Keasling）在新聞發(fā)布會(huì)上說到：“由于這些燃料來源于植物物質(zhì)培植的細(xì)菌，我們?cè)诨鸺l(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒這些燃料時(shí)，能夠有效減少溫室氣體的排放，而這些則是大部分石油類燃料的普遍問題?！?/p>

盡管項(xiàng)目仍然處于初期階段，但是，研究人員表示，作為化學(xué)燃料的替代物，這些特殊的生物燃料展現(xiàn)出巨大的希望，能夠有效推動(dòng)火箭助推器環(huán)節(jié)的發(fā)展。

圖：像阿麗亞娜5型這樣的火箭都在某一階段使用液態(tài)氫或液態(tài)氧等燃料，從而盡量減少對(duì)環(huán)境的影響。但是新一代生物燃料或許能進(jìn)一步減少火箭發(fā)射引發(fā)的消極作用。

當(dāng)前，許多火箭發(fā)動(dòng)機(jī)借助液態(tài)氧和液態(tài)氫作為助推燃料。但是，即使是如此“綠色”的混合燃料仍然需要與其他補(bǔ)充助推器配對(duì)，確保火箭升空。而這一補(bǔ)充助推器卻可能引發(fā)更惡劣的潛在變量，導(dǎo)致火箭掉落到地面上。

隨著越來越多的研究關(guān)注火箭發(fā)射及其對(duì)地球大氣的影響，一些環(huán)保人士倡議，火箭飛船需要新的解決方案，尤其是火箭發(fā)射數(shù)量日益增長(zhǎng)的情況下。（另一方面，另一些開拓倡議者則認(rèn)為，相比于其他行業(yè)，太空行業(yè)的碳足跡量非常的小。）

此外，細(xì)菌驅(qū)動(dòng)的生物燃料方面的研究人員表示，他們的生物燃料同樣是非常好的能源替代物，有可能推動(dòng)火箭發(fā)射領(lǐng)域超越當(dāng)前的能力。關(guān)鍵分子是聚酰共聚脂肪酸甲酯，簡(jiǎn)稱POP-FAMEs。

研究人員說到：這一分子結(jié)構(gòu)包括將碳-碳鍵壓至60度角的三角形三重碳環(huán)。這一拉力極有可能產(chǎn)生燃燒能量，并且，這一不同尋常的結(jié)構(gòu)同樣也使得燃料分子凝聚至小體積。

這一燃燒特點(diǎn)能夠?yàn)樘蘸教炱魈峁﹦?dòng)力，而這正是工程師們火箭發(fā)射階段牛節(jié)約燃料和成本的方法。

圖：細(xì)菌驅(qū)動(dòng)的火箭燃料概念圖，這一燃料能夠廣泛應(yīng)用于地球和太空相關(guān)領(lǐng)域。

研究團(tuán)隊(duì)主要關(guān)注兩個(gè)已知的三重碳環(huán)有機(jī)燃料，兩者都由鏈霉菌產(chǎn)生。盡管這一生物形態(tài)很難在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)，但是科學(xué)家在1990年發(fā)現(xiàn)了一種名叫“爪哇霉素”的自然產(chǎn)物，并對(duì)S.迷迭香屬的物種進(jìn)行了廣泛分析。

由五個(gè)環(huán)丙烷環(huán)構(gòu)成的齒狀分子啟發(fā)了科斯林團(tuán)隊(duì)，使其進(jìn)一步探索鏈霉菌物種的基因組，從而發(fā)現(xiàn)潛在火箭燃料應(yīng)用。他們隨后揭示了另一種白色念珠菌中的POP-FAMEs形成的必要元素。正如其他近親，白色念珠菌被證實(shí)是一種實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)物，一開始，白色念珠菌并沒有產(chǎn)生足夠的POP-FAMEs供研究人員分析，不過最終，科學(xué)家幸運(yùn)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)能夠用于實(shí)驗(yàn)的近親，只是這一近親需要研究團(tuán)隊(duì)完全復(fù)制他們的基因序列。

文章寫道：“由此形成的脂肪酸含有7個(gè)環(huán)丙烷環(huán)，這些環(huán)丙烷環(huán)連接在碳骨架上，從而得名燃料霉素。就像生物柴油形成的過程，這些分子在變成燃料前只需要另一個(gè)化學(xué)處理步驟?！?/p>

圖：2022年6月3日，俄羅斯聯(lián)盟號(hào)火箭搭載未載人的Progress 81號(hào)飛船從哈薩克斯坦拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射。以前的聯(lián)盟號(hào)使用的是合成蛋白，這一合成蛋白是一種實(shí)驗(yàn)性的石油基火箭燃料，其結(jié)構(gòu)有點(diǎn)接近POP-FAME。

下一步，火箭燃料的開發(fā)將著眼于生產(chǎn)足夠多的測(cè)試分子，至少22磅（約11千克）。研究人員還遠(yuǎn)未獲得如此多的材料，這也是這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)仍處于探索階段的原因。

但是，現(xiàn)有的模擬數(shù)據(jù)表明，在經(jīng)過化學(xué)過程處理后，POP-FAMEs或許會(huì)產(chǎn)生50兆焦耳/升。相比于汽油（32兆焦耳/升）和RP-1（煤油基的火箭燃料，大約35兆焦耳/升）的值，這是非常顯著的增長(zhǎng)。

POP-FAMEs與一種實(shí)驗(yàn)型石油基火箭燃料的結(jié)構(gòu)非常相似，從而使得這些細(xì)菌形成的分子或許能成為相互替代的物質(zhì)。合成蛋白燃料是20世紀(jì)60年代由蘇聯(lián)開發(fā)產(chǎn)生。盡管合成蛋白廣泛應(yīng)用于蘇聯(lián)的20世紀(jì)70年代與80年代的火箭發(fā)射，但是高成本、爆炸可能性以及毒性等最終導(dǎo)致蘇聯(lián)放棄了使用這一燃料。

POP-FAMEs團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在努力提高細(xì)菌生產(chǎn)效率以用于燃燒測(cè)試，同時(shí)，根據(jù)應(yīng)用目標(biāo)生產(chǎn)不同長(zhǎng)度的分子，從而生產(chǎn)出固體燃料、噴氣燃料以及柴油燃料的替代物。在未來，科學(xué)家希望能夠充分運(yùn)用廚余蔬菜垃圾，實(shí)現(xiàn)燃料生產(chǎn)過程的碳中和。

BY: Elizabeth Howell

FY: 秋

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