细菌可以制造超高效火箭燃料

By Elizabeth Howell 、

2022/7/5

Spaceflight

地球的一些最微小的居民可以帮助人类探索最后的前沿。

链霉菌的培养，这激发了一种潜在的新型火箭燃料。  (Image credit: Pablo Morales-Cruz)

地球的一些最小的居民可以帮助人类探索最后的前沿。

研究人员说，一种新开发的生物燃料 ------基于一种由链霉菌细菌制造的抗真菌分子------可被用于未来的火箭发射。

项目团队成员在一份新闻稿中说，对火箭倾倒进地球大气层中碳的潜在环保解决方案也可能有比今天使用的火箭燃料有更高的能量密度。

项目负责人能源部联合生物能源研究所首席执行官杰基斯林在一份新闻稿中说，“由于这些燃料将被用植物物质喂养的细菌产生------在引擎中燃烧它们将显着减少相对于来自石油产生的任何燃料的添加温室气体量”。

虽然该项目处于它的早期阶段，但研究人员说候选燃料分子的独特化学在将未来助推器推进太空显示令人难以置信的承诺。

今天的大多数火箭比如阿丽亚娜空间阿丽亚娜5号，都寻求至少在某些阶段使用液氢和液氧来减少对环境的影响。但是，新一代生物燃料如果兑现承诺，可能甚至进一步减少与火箭发射相关的负面影响。. (Image credit: Arianespace)

今天，许多火箭引擎燃烧液氧和液氢作为推进剂。但甚至这种相对“绿色”的组合可能被与有潜在的更恶劣的使火箭离开地面补充助推器燃料变体配对。

随着越来越多的研究集中在火箭发射及其对地球大气层的影响上，一些环保主义者说太空飞行需要新的解决方案------特别是随着发射次数的增加。（另一方面，其他一些探索倡导者指出与其他行业相比太空的碳足迹相对较小）。

 尽管如此，细菌驱动的生物燃料研究人员说他们的候选燃料也极端的高能的，潜在的推动火箭超出它们目前的能力。关键分子被称为POP-FAME，是“聚酰基共丙烷脂肪酸甲酯”的缩写。

这些分子的结构包括三角形的三碳环，将碳 - 碳键用力拉成极端的60度角。研究人员说，这种极端的拉产生高潜在的燃烧能量，不寻常的结构也允许燃料分子压缩成一个相对较小的体积。

倡导者说，这些特性的组合可能对太空飞行非常有效，因为工程师们总是试图降低发射质量来节省燃料和成本。

艺术家对细菌驱动的火箭燃料的概念（左图），这可能在地球和太空中有各种应用。 (Image credit: Jenny Nuss/Berkeley Lab)

研究小组的工作集中在两个已知的有三碳环的有机化合物的例子上，这两个有机化合物都被链霉菌细菌产生。虽然这种生命形式很难在实验室中生长，但一种叫玫瑰轮丝链霉菌（S. roseoverticillatus）属的物种被基因上分析，并于1990年科学家宣布发现了一种名为焦萨霉素（jawsamycin）的天然产物。

这种有五个环丙烷环的“牙齿”分子激发了基斯林的团队来检查相关链霉菌物种的基因组寻找潜在的火箭燃料应用。他们随后在另一种菌株链霉菌属菌种（S. albireticuli）中发现了POP-FAME的“必要成分”

  像它的许多亲戚一样，链霉菌属菌种（S. albireticul）被证明是一个实验室女神，起初拒绝创造足够的POP-FAME供研究人员分析。然而，最终，科学家们发现了一个允许进行实验的“驯服的”亲戚，，但仅在研究小组将它们的重新排列的基因簇复制到变异体之后。

新闻稿陈述，“所得脂肪酸含有多达七个环丙烷环，这些环丙烷环链在一个碳骨架上，为它们赚的燃料霉素的名称，在一个类似于生物柴油生产的过程中，这些分子在它们能作为燃料之前只需要一个额外的化学处理步骤”。

2022年6月3日，一枚载有无人的进步81号货船的俄罗斯联盟号火箭从哈萨克斯坦的拜科努尔航天发射场发射。更旧的联盟号变体使用扭曲烷（Syntin），这是一种实验性的石油基火箭燃料，其结构有点接近POP-FAME。. (Image credit: NASA TV)

火箭燃料开发的下一阶段将是生产足够的分子用于现场测试，这通常需要至少22磅（10公斤）。研究人员还没有接近目标，这就是为什么研究目前仍处于试探性的。

然而，迄今为止的模拟数据暗示POP-FAME在化学处理后可能产生每升50兆焦耳的能量密度值。这比汽油（每升32兆焦耳）和RP-1（一种基于煤油的火箭燃料，每升约35兆焦耳）是一个值得注意的增加。

POP-FAME在结构上明显接近一种实验性石油基火箭燃料，这表明这些细菌产生的分子可能是一种可行的替代方案。这种称为扭曲烷的实验性燃料是在1960年代被苏联开发的。虽然扭曲烷在1970年代和1980年代被用在联盟号火箭发射中，但高昂的成本、爆炸潜力和毒性最终导致苏联放弃了这种燃料。

POP-FAME团队现在正工作在提高燃烧测试细菌的生产效率，并针对固体燃料、喷气燃料和柴油替代品的应用创建不同长度的分子。在未来，科学家们希望用植物废弃的食物作为来源来使燃料生产过程现碳中和。

基于该研究的一项研究于周四（6月30日）发表在《焦耳》杂志上。