วิธีการทำงานของเครื่องยนต์จรวด

การแปลงน้ำมันปิโตรเลียมเป็นเชื้อเพลิงนั้นเกี่ยวข้องกับเคมีดิบที่มนุษย์คิดค้นขึ้นครั้งแรกในทศวรรษที่ 1800 ในขณะเดียวกัน แบคทีเรียได้ผลิตโมเลกุลพลังงานจากคาร์บอนเป็นเวลาหลายพันล้านปี คุณคิดว่างานไหนดีกว่ากัน? ตระหนักดีถึงข้อดีที่ชีววิทยามีให้ กลุ่มผู้เชี่ยวชาญด้านเชื้อเพลิงชีวภาพที่นำโดย Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ได้รับแรงบันดาลใจจากโมเลกุลต้านเชื้อราที่ไม่ธรรมดาซึ่งสร้างโดยแบคทีเรีย Streptomyces เพื่อพัฒนาเชื้อเพลิงชนิดใหม่ทั้งหมดที่มีความหนาแน่นของพลังงานมากขึ้นมากกว่าเชื้อเพลิงสำหรับงานหนักที่ทันสมัยที่สุดที่ใช้ในปัจจุบัน รวมถึงเชื้อเพลิงจรวดที่ NASA ใช้ Jay Keasling หัวหน้าโครงการ ผู้บุกเบิกชีววิทยาสังเคราะห์และซีอีโอของแผนกกล่าวว่า "เส้นทางการสังเคราะห์ทางชีวภาพนี้ให้เส้นทางที่สะอาดไปสู่เชื้อเพลิงที่มีพลังงานสูง ซึ่งก่อนหน้านี้จะผลิตได้จากปิโตรเลียมโดยใช้กระบวนการสังเคราะห์ที่เป็นพิษสูงเท่านั้น" ของสถาบันพลังงานชีวภาพร่วมของ Energy (JBEI) "เนื่องจากเชื้อเพลิงเหล่านี้จะผลิตจากแบคทีเรียที่เลี้ยงด้วยพืช ซึ่งทำมาจากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ดึงมาจากชั้นบรรยากาศ การเผาไหม้เชื้อเพลิงเหล่านี้ในเครื่องยนต์จะช่วยลดปริมาณก๊าซเรือนกระจกที่เพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงใดๆ ที่ผลิตขึ้นจากปิโตรเลียม" ศักยภาพพลังงานที่เหลือเชื่อของโมเลกุลตัวเลือกเชื้อเพลิงเหล่านี้เรียกว่า POP-FAME (สำหรับเมทิลเอสเทอร์ของกรดไขมันโพลีไซโคลโพรพาเนเต็ด) มาจากคุณสมบัติทางเคมีพื้นฐานของโครงสร้าง โมเลกุลโพลีไซโคลโพรพาเนเต็ดประกอบด้วยวงแหวนคาร์บอนสามวงรูปสามเหลี่ยมหลายวงที่บังคับให้พันธะคาร์บอน-คาร์บอนแต่ละพันธะอยู่ในมุม 60 องศาที่แหลมคม พลังงานศักย์ในพันธะที่ตึงเครียดนี้แปลงเป็นพลังงานสำหรับการเผาไหม้มากกว่าที่สามารถทำได้ด้วยโครงสร้างวงแหวนขนาดใหญ่หรือโซ่คาร์บอนคาร์บอนที่มักพบในเชื้อเพลิง นอกจากนี้ โครงสร้างเหล่านี้ยังช่วยให้โมเลกุลของเชื้อเพลิงรวมตัวกันอย่างแน่นหนาในปริมาตรที่น้อย ซึ่งจะเพิ่มมวลและพลังงานทั้งหมดของเชื้อเพลิงที่พอดีกับถังใดก็ตาม "ด้วยเชื้อเพลิงปิโตรเคมี คุณจะได้ซุปที่มีโมเลกุลต่างกัน และคุณไม่สามารถควบคุมโครงสร้างทางเคมีเหล่านั้นได้มากนัก แต่นั่นคือสิ่งที่เราใช้มาเป็นเวลานาน และเราได้ออกแบบเครื่องยนต์ทั้งหมดของเราให้ทำงานบนน้ำมันปิโตรเลียม อนุพันธ์" Eric Sundstrom ผู้เขียนบทความที่อธิบายถึงตัวเลือกเชื้อเพลิง POP ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Joule และนักวิทยาศาสตร์การวิจัยของ Advanced Biofuels and Bioproducts Process Development Unit (ABPDU) ของ Berkeley Lab Sundstrom กล่าวว่า "กลุ่มใหญ่ที่อยู่เบื้องหลังงานนี้ Co-Optima ได้รับทุนให้คิดไม่เพียงแค่สร้างเชื้อเพลิงเดิมจากวัตถุดิบตั้งต้นชีวภาพเท่านั้น แต่เราจะสร้างเชื้อเพลิงใหม่ที่มีคุณสมบัติดีขึ้นได้อย่างไร" Sundstrom กล่าว "คำถามที่นำไปสู่สิ่งนี้คือ 'โครงสร้างที่น่าสนใจประเภทใดที่ชีววิทยาสามารถทำให้ปิโตรเคมีไม่สามารถสร้างได้'" ภารกิจตามหาแหวน Keasling ซึ่งเป็นศาสตราจารย์ที่ UC Berkeley เช่นกัน จับตามองโมเลกุลของไซโคลโพรเพนมาเป็นเวลานาน เขาได้สำรวจวรรณกรรมทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับสารประกอบอินทรีย์ที่มีวงแหวนคาร์บอน 3 วง และพบตัวอย่างที่ทราบเพียง 2 ตัวอย่าง ซึ่งทั้งสองตัวอย่างเกิดจาก แบคทีเรีย Streptomycesซึ่งแทบจะเป็นไปไม่ได้ที่จะเติบโตในสภาพแวดล้อมของห้องปฏิบัติการ โชคดีที่หนึ่งในโมเลกุลได้รับการศึกษาและวิเคราะห์ทางพันธุกรรมเนื่องจากความสนใจในคุณสมบัติต้านเชื้อรา ผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติที่ถูกค้นพบในปี 1990 มีชื่อว่า จอว์ซามัยซิน เนื่องจากวงแหวนไซโคลโพรเพนห้าวงที่ไม่เคยมีมาก่อนทำให้ดูเหมือนกรามที่เต็มไปด้วยฟันแหลม ทีมของ Keasling ซึ่งประกอบด้วยนักวิทยาศาสตร์ของ JBEI และ ABPDU ศึกษายีนจากสายพันธุ์ดั้งเดิม ( S. roseoverticillatus)ที่เข้ารหัสเอนไซม์ที่สร้าง Jawsamycin และเจาะลึกเข้าไปในจีโนมของStreptomyces ที่เกี่ยวข้อง โดยมองหาการรวมกันของเอนไซม์ที่สามารถสร้าง โมเลกุลที่มีวงแหวนฟันของขากรรไกรของซามัยซินในขณะที่ข้ามส่วนอื่น ๆ ของโครงสร้าง เช่นเดียวกับคนทำขนมปังที่เขียนสูตรใหม่เพื่อคิดค้นขนมที่สมบูรณ์แบบ ทีมงานหวังที่จะผสมเครื่องจักรของแบคทีเรียที่มีอยู่เพื่อสร้างโมเลกุลใหม่ที่มีคุณสมบัติเป็นเชื้อเพลิงพร้อมเผาไหม้ ปาโบล ครูซ-โมราเลส ผู้เขียนคนแรกสามารถรวบรวมส่วนผสมที่จำเป็นทั้งหมดเพื่อสร้าง POP-FAME หลังจากค้นพบเอนไซม์ที่สร้างไซโคลโพรเพนชนิดใหม่ในสายพันธุ์ที่เรียกว่าS. albireticuli ครูซ-โมราเลส นักวิจัยอาวุโสของ Novo Nordisk Foundation Center for the Novo Nordisk Foundation กล่าวว่า จรวด "เราค้นหาจีโนมหลายพันแห่งเพื่อหาทางเดินที่สร้างสิ่งที่เราต้องการตามธรรมชาติ วิธีนี้ทำให้เราหลีกเลี่ยงวิศวกรรมที่อาจใช้ได้หรือไม่ได้ และใช้วิธีแก้ปัญหาที่ดีที่สุดจากธรรมชาติ" ครูซ-โมราเลส ความยั่งยืนทางชีวภาพ, Technical University of Denmark และผู้วิจัยร่วมของห้องปฏิบัติการผลิตภัณฑ์ธรรมชาติจากยีสต์ร่วมกับ Keasling น่าเสียดายที่แบคทีเรียไม่ให้ความร่วมมือในด้านการผลิต Streptomycesมีอยู่ทั่วไปในดินทุกทวีปมีชื่อเสียงในด้านความสามารถในการสร้างสารเคมีที่ผิดปกติ ครูซ-โมราเลสกล่าวว่า"ยาจำนวนมากที่ใช้ในปัจจุบัน เช่น ยากดภูมิคุ้มกัน ยาปฏิชีวนะ และยาต้านมะเร็ง "แต่พวกเขาเอาแต่ใจมากและไม่เหมาะที่จะทำงานด้วยในห้องแล็บ พวกเขามีพรสวรรค์ แต่พวกเขาก็เป็นนักร้อง" เมื่อStreptomyces ที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมต่างกัน 2 ตัวไม่สามารถสร้าง POP-FAME ได้ในปริมาณที่เพียงพอ เขาและเพื่อนร่วมงานจึงต้องคัดลอกคลัสเตอร์ยีนที่จัดเรียงใหม่ให้เป็นญาติที่ "เชื่อง" มากขึ้น กรดไขมันที่เกิดขึ้นประกอบด้วยวงแหวนไซโคลโพรเพนมากถึง 7 วงซึ่งถูกล่ามโซ่บนกระดูกสันหลังของคาร์บอน ทำให้ได้ชื่อเรียกว่า ฟิวอิไมซิน ในกระบวนการที่คล้ายกับการผลิตไบโอดีเซล โมเลกุลเหล่านี้ต้องการกระบวนการทางเคมีเพิ่มเติมเพียงขั้นตอนเดียวก่อนที่จะใช้เป็นเชื้อเพลิงได้ ตอนนี้เรากำลังปรุงอาหารด้วยไซโคลโพรเพน แม้ว่าพวกมันจะยังผลิตโมเลกุลที่เป็นเชื้อเพลิงได้ไม่เพียงพอสำหรับการทดสอบภาคสนาม แต่ "คุณต้องการเชื้อเพลิง 10 กิโลกรัมเพื่อทำการทดสอบในเครื่องยนต์จรวดจริงๆ และเรายังไม่ได้อยู่ที่นั่น" ครูซ-โมราเลสอธิบายพร้อมหัวเราะ - - พวกเขาสามารถประเมินการคาดการณ์ของ Keasling เกี่ยวกับความหนาแน่นของพลังงานได้ เพื่อนร่วมงานที่ Pacific Northwest National Laboratory วิเคราะห์ POP-FAMEs ด้วยนิวเคลียร์เรโซแนนซ์สเปกโทรสโกปีเพื่อพิสูจน์การมีอยู่ของวงแหวนไซโคลโพรเพนที่เข้าใจยาก และผู้ทำงานร่วมกันที่ Sandia National Laboratories ใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อประเมินว่าสารประกอบจะทำงานอย่างไรเมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงทั่วไป ข้อมูลจำลองบ่งชี้ว่าสารเติมแต่งเชื้อเพลิง POP มีความปลอดภัยและเสถียรที่อุณหภูมิห้อง และจะมีค่าความหนาแน่นของพลังงานมากกว่า 50 เมกะจูลต่อลิตรหลังผ่านกระบวนการทางเคมี น้ำมันเบนซินปกติมีค่า 32 เมกะจูลต่อลิตร JetA ซึ่งเป็นน้ำมันเครื่องบินที่ใช้กันมากที่สุด และ RP1 ซึ่งเป็นน้ำมันจรวดที่ใช้น้ำมันก๊าดยอดนิยมมีค่าประมาณ 35 ในระหว่างการวิจัย ทีมงานได้ค้นพบว่า POP-FAME ของพวกเขามีโครงสร้างใกล้เคียงกับเชื้อเพลิงจรวดที่ใช้ปิโตรเลียมจากการทดลองที่เรียกว่า Syntin ซึ่งพัฒนาขึ้นในทศวรรษ 1960 โดยองค์การอวกาศของสหภาพโซเวียต และใช้ในการปล่อยจรวด Soyuz ที่ประสบความสำเร็จหลายครั้งใน 70 และ 80 แม้จะมีประสิทธิภาพที่ทรงพลัง แต่การผลิต Syntin ก็หยุดลงเนื่องจากต้นทุนที่สูงและกระบวนการที่ไม่พึงประสงค์ที่เกี่ยวข้อง: ชุดของปฏิกิริยาสังเคราะห์ที่มีผลพลอยได้เป็นพิษและตัวกลางที่ไม่เสถียรและระเบิดได้ "แม้ว่า POP-FAMEs จะมีโครงสร้างคล้ายกับ Syntin แต่หลายๆ ชิ้นก็มีความหนาแน่นของพลังงานที่เหนือกว่า ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นจะทำให้ปริมาณเชื้อเพลิงลดลง ซึ่งในจรวดสามารถช่วยให้บรรทุกได้มากขึ้นและลดการปล่อยมลพิษโดยรวม" อเล็กซานเดอร์ แลนเดรา นักวิทยาศาสตร์ประจำทีมกล่าว แซนเดีย หนึ่งในเป้าหมายต่อไปของทีมคือการสร้างกระบวนการกำจัดออกซิเจนสองอะตอมในแต่ละโมเลกุล ซึ่งเพิ่มน้ำหนักแต่ไม่มีประโยชน์ในการเผาไหม้ "เมื่อผสมเป็นเชื้อเพลิงไอพ่น POP-FAMEs เวอร์ชันลดออกซิเจนอย่างถูกต้องอาจให้ประโยชน์ที่คล้ายกัน" แลนเดรากล่าวเสริม นับตั้งแต่เผยแพร่เอกสารพิสูจน์แนวคิด นักวิทยาศาสตร์ได้เริ่มทำงานเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตแบคทีเรียให้ดียิ่งขึ้นเพื่อให้ผลิตได้เพียงพอสำหรับการทดสอบการเผาไหม้ พวกเขากำลังตรวจสอบว่าเส้นทางการผลิตเอนไซม์หลายตัวสามารถปรับเปลี่ยนเพื่อสร้างโมเลกุลโพลีไซโคลโพรพาเนตที่มีความยาวต่างกันได้อย่างไร "เรากำลังดำเนินการปรับความยาวของห่วงโซ่เพื่อกำหนดเป้าหมายการใช้งานเฉพาะ" Sundstrom กล่าว "เชื้อเพลิงที่มีสายโซ่ยาวขึ้นจะเป็นของแข็ง เหมาะกับการใช้งานเชื้อเพลิงจรวดบางชนิด สายโซ่สั้นอาจดีกว่าสำหรับเชื้อเพลิงเครื่องบิน และตรงกลางอาจเป็นโมเลกุลทางเลือกของดีเซล" ผู้เขียน Corinne Scown ผู้อำนวยการฝ่ายการวิเคราะห์เศรษฐศาสตร์เทคโนโลยีของ JBEI กล่าวเสริมว่า "ความหนาแน่นของพลังงานคือทุกสิ่งเมื่อพูดถึงการบินและจรวด และนี่คือจุดที่ชีววิทยาสามารถเปล่งประกายได้จริงๆ ทีมงานสามารถสร้างโมเลกุลเชื้อเพลิงที่เหมาะกับการใช้งานที่เราต้องการในภาคส่วนที่มีการพัฒนาอย่างรวดเร็วเหล่านั้น " ในที่สุด นักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะออกแบบกระบวนการให้เป็นแบคทีเรียสายพันธุ์เทียมที่สามารถผลิตโมเลกุล POP ในปริมาณมากจากแหล่งอาหารเหลือทิ้งจากพืช (เช่น เศษเหลือจากการเกษตรที่กินไม่ได้และแปรงล้างเพื่อป้องกันไฟป่า) ซึ่งอาจทำให้เชื้อเพลิงคาร์บอนเป็นกลางขั้นสูงสุด