China buktikan fotosintesis buatan di orbit, menghasilkan oksigen dan bahan bakar roket

Uji sederhana di orbit mengarah pada penerbangan antariksa mandiri

China mengklaim sebagai negara pertama yang memproduksi sumber daya di antariksa. Di stasiun antariksa Tiangong, awak Shenzhou-19 menggunakan unit fotosintesis buatan berukuran ringkas untuk mengubah karbon dioksida dan air menjadi dua kebutuhan penting: oksigen yang dapat dihirup dan etilena, hidrokarbon yang dapat digunakan dalam produksi propelan roket. Demonstrasi ini, yang diselesaikan melalui 12 rangkaian uji terkontrol di dalam perangkat berbentuk laci, menunjukkan bahwa reaksi kimia dasar yang dilakukan tumbuhan di Bumi dapat direkayasa agar berfungsi di orbit.

Yang membuat hasil ini menonjol bukan hanya produk yang dihasilkan, tetapi juga kondisi saat proses berlangsung. Sistem tersebut bekerja pada suhu kamar dan tekanan standar, bukan pada kondisi ekstrem yang dibutuhkan banyak pabrik kimia. Dalam kondisi mikrogravitasi, para astronaut juga berhasil mengendalikan pergerakan gas dan cairan secara presisi, yang diketahui sulit dilakukan ketika gelembung tidak naik dan cairan tidak mengendap. Tim mencatat produk yang dihasilkan secara waktu nyata, mengonfirmasi produksi oksigen sekaligus pembentukan hidrokarbon.

Teknologi ini telah dikembangkan di China sejak 2015. Keberhasilannya berfungsi di antariksa menjadi tonggak penting bagi setiap rencana untuk mendukung awak tanpa pasokan ulang terus-menerus. Jika wahana antariksa dapat menghasilkan udara dan bahan bakar di tempatnya beroperasi, misi bisa menjadi lebih ringan, aman, dan fleksibel. Perangkat yang sama dapat digunakan di pos terdepan di Bulan atau Mars, tempat air dan karbon dioksida tersedia dalam bentuk beku atau atmosfer.

Para pejabat mengatakan sistem ini dapat disesuaikan dengan mengganti katalis untuk menghasilkan produk berbeda, termasuk metana dan asam format. Metana telah menjadi bahan bakar roket pilihan, sedangkan asam format dapat menjadi bahan dasar untuk kimia yang lebih kompleks, termasuk tahapan menuju sintesis gula untuk penelitian produksi pangan. Fleksibilitas ini mengarah pada masa depan ketika satu perangkat menangani beberapa fungsi, mulai dari penunjang kehidupan hingga penyediaan propelan.

Cara kerja sistem

Fotosintesis buatan meniru proses pada tumbuhan, tetapi menggunakan material rekayasa, bukan daun. Sederhananya, proses ini memiliki dua bagian. Bagian pertama memecah air menjadi oksigen, lalu mengalirkan O2 ke kabin. Bagian kedua mengambil karbon dioksida dan menambahkan elektron serta hidrogen untuk membentuk molekul seperti etilena, metana, atau format. Energinya berasal dari sinar matahari yang diubah oleh panel surya, atau dari cahaya yang secara langsung mengaktifkan katalis semikonduktor di dalam perangkat.

Penjelasan sederhana tentang proses kimianya

Di dalam unit Tiangong, katalis semikonduktor menyediakan permukaan tempat karbon dioksida dan air berinteraksi. Saat energi masuk, katalis membantu menyusun ulang atom. Air melepaskan oksigen dan hidrogen. Karbon dioksida menyediakan karbon. Bergantung pada katalisnya, atom karbon berikatan dengan cara yang berbeda. Katalis berbasis tembaga cenderung menyatukan atom karbon untuk membentuk etilena. Material lain lebih mendukung pembentukan metana atau karbon monoksida. Para insinyur memilih katalis sesuai campuran produk yang diinginkan.

Unit yang diterbangkan ke Tiangong tampaknya menggunakan proses pada suhu kamar yang tidak memerlukan tangki bertekanan tinggi atau suhu tinggi. Hal ini mengurangi kebutuhan daya, yang sangat penting bagi wahana antariksa yang mengelola setiap watt. Perangkat itu juga lebih mudah diintegrasikan dengan sistem pengelolaan udara, karena oksigen dapat mengalir pada tekanan kabin, sedangkan hidrokarbon dapat disimpan atau dialirkan untuk diproses tanpa kompresor tugas berat.

Yang dilakukan awak Tiangong

Awak Shenzhou-19, yang memulai misi pada akhir Oktober 2024, menjalankan 12 eksperimen di dalam modul berbentuk laci. Perangkat tersebut menampung katalis, saluran fluida, dan sensor yang diperlukan untuk mengelola reaksi tiga fase dengan komponen gas, cair, dan padat. Tim memastikan produksi oksigen dan mengukur kemunculan etilena, produk sasaran utama dalam penelitian propulsi.

Salah satu tantangan utama adalah pengendalian fluida dalam kondisi mikrogravitasi. Di Bumi, gas dan cairan terpisah secara alami. Di orbit, tegangan permukaan menjadi faktor dominan. Perangkat Tiangong dilengkapi saluran, membran, dan pengendali aliran yang menjaga reaktan tetap bersentuhan dengan katalis sekaligus mengalirkan produk agar reaksi dapat berlanjut. Eksperimen ini mencatat pergerakan gas dan perilaku pemisahan untuk membantu penyempurnaan desain mendatang.

Mengapa penanganan dalam mikrogravitasi penting

Jika gelembung menempel pada katalis, hasil produksi menurun. Jika cairan tidak mencapai permukaan reaksi secara merata, titik panas atau bagian yang kering akan terbentuk. Pengendalian aliran yang presisi menjadi pembeda antara pembuktian di laboratorium dan aliran produk yang dapat mengisi tangki penyimpanan. Data yang dikumpulkan di Tiangong memberi para insinyur panduan yang dibutuhkan untuk meningkatkan skala proses.

Uji coba ini menambah daftar eksperimen di stasiun antariksa yang terus berkembang, yang mengamati perilaku proses sehari-hari tanpa gravitasi. Penelitian sebelumnya di Tiangong mencakup penanaman selada dan tomat, bahkan menyalakan korek api untuk mempelajari perilaku nyala api. Studi-studi ini membangun pengetahuan praktis yang diperlukan untuk menjalankan pabrik dan pertanian di luar Bumi.

Arti pentingnya bagi penunjang kehidupan dan propulsi

Setiap kilogram yang tidak perlu diluncurkan dari Bumi dengan roket dapat menghemat biaya dan mengurangi risiko. Oksigen adalah contoh utamanya. Stasiun Antariksa Internasional menghasilkan oksigen dengan memecah air di unit elektrolisis yang ditenagai panel surya. Penelitian memperkirakan produksi oksigen menghabiskan sekitar sepertiga dari anggaran energi sistem penunjang kehidupan stasiun tersebut. Metode itu berfungsi, tetapi membutuhkan banyak daya dan sistemnya masih bergantung pada pengiriman ulang air dan bahan habis pakai secara berkala.

Fotosintesis buatan membuka jalur alternatif. Teknologi ini dapat mengubah karbon dioksida yang diembuskan astronaut kembali menjadi oksigen, sekaligus membentuk molekul hidrokarbon untuk bahan bakar di dalam perangkat yang sama. Reaksi dapat berlangsung pada suhu kamar dan tekanan kabin, sehingga kebutuhan listrik lebih rendah. Stasiun atau pangkalan yang menghasilkan oksigen dan propelan sendiri dapat memperpanjang jeda antar-pasokan ulang dan menyediakan lebih banyak daya untuk sains dan operasional.

Ragam produk yang dapat dihasilkan juga bernilai. Metana dipadukan dengan oksigen cair pada banyak mesin modern, termasuk rancangan yang ditujukan untuk penggunaan ulang. Asam format dapat menyimpan hidrogen secara kimia untuk digunakan kemudian. Etilena dapat dibakar langsung atau diolah menjadi bahan bakar dan material lain. Sistem yang mengubah karbon limbah menjadi molekul berguna meningkatkan manfaat setiap liter air dan setiap watt sinar matahari di stasiun antariksa.

Bisakah etilena menjadi bahan bakar wahana antariksa?

Etilena adalah hidrokarbon sederhana dengan dua atom karbon. Zat ini mudah terbakar dengan oksigen cair dan dapat digunakan sebagai bahan bakar pada mesin atau pendorong. Etilena telah digunakan dalam mesin eksperimental dan penerbangan uji. Kinerjanya bergantung pada desain mesin, tetapi zat ini termasuk dalam keluarga yang sama dengan metana dan propana. Keunggulannya di orbit adalah etilena dapat dihasilkan langsung dari reduksi karbon dioksida menggunakan katalis berbasis tembaga.

Ada sejumlah kompromi. Etilena berwujud gas pada suhu kamar, sehingga penyimpanannya memerlukan pemampatan atau pendinginan. Banyak misi lebih memilih metana karena lebih mudah ditangani pada suhu kriogenik bersama oksigen cair. Etilena juga dapat menjadi bahan baku. Dengan pemrosesan tambahan, zat ini dapat diubah menjadi cairan atau plastik yang berguna untuk manufaktur. Eksperimen Tiangong menunjukkan bahwa tim dapat menghasilkan etilena sebagai produk sasaran, tetapi misi mendatang mungkin menyesuaikan katalis untuk menghasilkan metana atau format, bergantung pada penggunaannya.

Pilihan propelan hanyalah satu bagian dari persoalan. Oksigen merupakan komponen berat dalam susunan propelan hampir semua roket kimia. Perangkat apa pun yang dapat menghasilkan oksigen dengan biaya rendah di antariksa akan mengurangi massa yang harus diluncurkan. Bahkan jika hidrokarbon pada awalnya dikirim dari Bumi, stasiun yang memasok oksigen secara lokal akan membuat perhitungan misi lebih menguntungkan.

Dari stasiun antariksa ke Bulan

China telah menetapkan target terbuka untuk pendaratan berawak di Bulan sebelum 2030 dan pembangunan Stasiun Penelitian Bulan Internasional pada awal hingga pertengahan 2030-an. Laporan pada 2024 menguraikan rencana penggunaan robot untuk merakit reaktor nuklir ringkas sebagai sumber daya pangkalan tersebut. Daya adalah salah satu kebutuhan. Kebutuhan berikutnya adalah pasokan udara dan bahan bakar yang tidak bergantung pada penerbangan kargo. Uji coba Tiangong disebut sebagai landasan untuk mencapai tujuan itu.

Rantai pasok orbital masa depan

Kemampuan memindahkan dan berbagi propelan di orbit juga menjadi unsur penting. Pada Januari 2025, China meluncurkan satelit Shijian 25 untuk menguji teknologi pengisian bahan bakar ulang. Jika dipadukan dengan produksi di stasiun, uji pengisian ulang ini mengarah pada rantai pasok tempat satu wahana menghasilkan komponen bahan bakar dan wahana lain menyalurkannya ke satelit atau wahana transfer. Sistem praktisnya dapat bekerja seperti ini. Wahana berawak atau robotik menggunakan fotosintesis buatan untuk mengubah CO2 dan air menjadi oksigen dan metana. Satelit pengisi bahan bakar melakukan pertemuan untuk mengambil dan mengirimkan propelan ke wahana yang membutuhkan dorongan. Di permukaan Bulan, unit serupa memasok oksigen ke habitat dan menyimpan metana untuk peluncuran kembali ke orbit. Setiap lokasi menggunakan sinar matahari setempat atau tenaga nuklir untuk menjalankan reaksi kimia.

Langkah selanjutnya

Perangkat Tiangong masih merupakan bukti konsep, belum menjadi pabrik. Untuk mendukung awak atau mengisi ulang bahan bakar wahana, hasil produksinya harus ditingkatkan berkali-kali lipat. Hal itu memerlukan area reaksi yang lebih luas, pengelolaan panas yang lebih baik, dan katalis yang dapat bertahan berbulan-bulan tanpa mengalami penurunan kinerja. Radiasi antariksa dan perubahan suhu dapat merusak material. Para insinyur perlu menguji daya tahan dan mengganti suku cadang tanpa mengirim perangkat besar ke orbit.

Pemisahan dan penyimpanan sama sulitnya. Oksigen harus disalurkan dengan tingkat kemurnian tinggi untuk pernapasan dan mesin. Hidrokarbon harus dipisahkan dari produk sampingan dan dimampatkan atau dicairkan dengan aman. Penanganan oksigen dan bahan bakar di dalam wahana antariksa meningkatkan risiko kebakaran, yang harus dikurangi perancang melalui katup, sensor, dan isolasi ketat. Tantangan-tantangan itu bukan hambatan yang mustahil diatasi, tetapi membutuhkan rekayasa cermat dan pengujian berulang.

Integrasi dengan siklus penunjang kehidupan akan menentukan manfaat nyatanya. Di ISS, elektrolisis dipadukan dengan reaktor yang menggabungkan CO2 dan hidrogen untuk membentuk air dan metana, sehingga sebagian siklus tertutup. Stasiun masa depan dapat memilih salah satu jalur atau menggabungkan keduanya. Desain terbaik mungkin menangkap CO2 dari udara, terus-menerus menghasilkan oksigen, dan mengalirkan produk bahan bakar ke penyimpanan saat daya berlebih. Pengoperasian robotik akan sangat penting untuk penggunaan rutin.

Posisinya dalam upaya global

Produksi sumber daya di luar Bumi menjadi fokus bersama berbagai badan antariksa. NASA menerbangkan eksperimen MOXIE pada wahana penjelajah Perseverance untuk mengekstrak oksigen dari atmosfer Mars, membuktikan bahwa unit kecil dapat menghasilkan oksigen di Mars. Badan Antariksa Eropa dan banyak laboratorium meneliti fotokatalis yang dapat mengubah CO2 menggunakan sinar matahari atau listrik. Perusahaan swasta merancang mesin metana yang dipadukan dengan oksigen hasil produksi setempat. Proyek-proyek ini mengusung gagasan yang sama: menggunakan material lokal untuk mengurangi massa peluncuran.

Selama ini, sebagian besar uji penunjang kehidupan di orbit berfokus pada pertumbuhan tanaman, biologi, dan elektrolisis. Uji coba Tiangong merupakan laporan pertama tentang sistem reduksi karbon dioksida yang menghasilkan hidrokarbon dan oksigen di orbit pada suhu kamar dan tekanan standar. Langkah ini memadukan penunjang kehidupan dengan pasokan propulsi dalam satu perangkat. Hal itu meningkatkan standar yang akan dikejar wahana masa depan, baik di orbit rendah Bumi, ruang cislunar, maupun di permukaan Bulan.

Persaingan dapat mempercepat kemajuan. Dengan rencana membangun pangkalan Bulan dan menjalankan misi ke antariksa jauh, China akan berupaya meningkatkan skala teknologi ini. Amerika Serikat, Eropa, Jepang, dan pihak lain memiliki program pemanfaatan sumber daya setempat yang aktif dan mungkin segera menerbangkan demonstrasi masing-masing. Bagi para insinyur, tujuan utamanya adalah menghasilkan perangkat praktis yang dapat berfungsi berbulan-bulan tanpa kendala.

Poin-poin utama

• Astronaut Shenzhou-19 menjalankan 12 eksperimen fotosintesis buatan di Tiangong.
• Perangkat tersebut mengubah CO2 dan air menjadi oksigen dan etilena pada suhu kamar dan tekanan standar.
• Pengendalian fluida dalam mikrogravitasi dan deteksi waktu nyata tervalidasi selama uji coba.
• Dengan mengganti katalis, sistem dapat menghasilkan metana atau asam format untuk berbagai keperluan.
• Dibandingkan elektrolisis air di ISS, metode ini ditujukan untuk mengurangi kebutuhan daya.
• Etilena dapat digunakan sebagai propelan atau bahan baku untuk membuat bahan bakar dan material lain.
• China memadukan produksi di orbit dengan uji pengisian bahan bakar ulang dan merencanakan pendaratan berawak di Bulan sebelum 2030.
• Tantangan utama berikutnya mencakup peningkatan hasil produksi, kestabilan jangka panjang, serta penyimpanan dan penanganan yang aman.