04.07.2022 - Lawrence Berkeley National Laboratory

Bakterien für den Raketenstart: Mit Mikroben zum neuen Raketentreibstoff

Wissenschaftler haben eine neue Klasse von energiereichen Biokraftstoffen entwickelt, die auf einem der einzigartigsten Moleküle der Natur basieren

Die Umwandlung von Erdöl in Kraftstoffe beruht auf einer einfachen chemischen Methode, die der Mensch erst um 1800 erfand. In der Zwischenzeit haben Bakterien seit Milliarden von Jahren Energiemoleküle auf Kohlenstoffbasis hergestellt. Was glauben Sie, wer ist besser für diese Aufgabe geeignet?

Eine Gruppe von Biokraftstoffexperten unter der Leitung des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hat sich von einem außergewöhnlichen Antipilzmolekül inspirieren lassen, das von Streptomyces-Bakterien hergestellt wird, um eine völlig neue Art von Kraftstoff zu entwickeln, dessen projizierte Energiedichte größer ist als die der modernsten Schwerlastkraftstoffe, die heute verwendet werden, einschließlich der von der NASA verwendeten Raketentreibstoffe.

"Dieser Biosyntheseweg bietet einen sauberen Weg zu Kraftstoffen mit hoher Energiedichte, die vor dieser Arbeit nur mit Hilfe eines hochgiftigen Syntheseverfahrens aus Erdöl hergestellt werden konnten", sagte Projektleiter Jay Keasling, ein Pionier der synthetischen Biologie und CEO des Joint BioEnergy Institute (JBEI) des Energieministeriums. "Da diese Kraftstoffe aus Bakterien hergestellt werden, die mit Pflanzenmaterial gefüttert werden, das aus Kohlendioxid aus der Atmosphäre gewonnen wird, wird die Verbrennung dieser Kraftstoffe in Motoren den Ausstoß von Treibhausgasen im Vergleich zu Kraftstoffen, die aus Erdöl hergestellt werden, erheblich reduzieren.

Das unglaubliche Energiepotenzial dieser Kraftstoffkandidaten, die als POP-FAMEs (für polycylcopropanierte Fettsäuremethylester) bezeichnet werden, ergibt sich aus der grundlegenden Chemie ihrer Strukturen. Polycylcopropanierte Moleküle enthalten mehrere dreieckige Drei-Kohlenstoff-Ringe, die jede Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung in einen scharfen 60-Grad-Winkel zwingen. Die potenzielle Energie in dieser gespannten Bindung führt zu mehr Energie für die Verbrennung, als mit den größeren Ringstrukturen oder Kohlenstoff-Kohlenstoff-Ketten, die normalerweise in Kraftstoffen zu finden sind, erreicht werden kann. Darüber hinaus ermöglichen es diese Strukturen, die Kraftstoffmoleküle auf kleinem Raum eng zusammenzupacken, wodurch die Masse - und damit die Gesamtenergie - des Kraftstoffs, der in einen bestimmten Tank passt, erhöht wird.

"Bei petrochemischen Kraftstoffen erhält man eine Art Suppe verschiedener Moleküle, und man hat keine große Kontrolle über diese chemischen Strukturen. Aber das ist es, was wir lange Zeit verwendet haben, und wir haben alle unsere Motoren so konstruiert, dass sie mit Erdölderivaten betrieben werden können", sagte Eric Sundstrom, einer der Autoren des in der Zeitschrift Joule veröffentlichten Artikels über die POP-Kraftstoffkandidaten und Forscher in der Advanced Biofuels and Bioproducts Process Development Unit (ABPDU) des Berkeley Lab.

"Das größere Konsortium, das hinter dieser Arbeit steht, Co-Optima, wurde finanziert, um nicht nur darüber nachzudenken, wie man dieselben Kraftstoffe aus biobasierten Rohstoffen neu herstellen kann, sondern auch darüber, wie man neue Kraftstoffe mit besseren Eigenschaften herstellen kann", sagte Sundstrom. "Die Frage, die dazu geführt hat, lautet: 'Welche interessanten Strukturen kann die Biologie herstellen, die die Petrochemie nicht herstellen kann?'"

Auf der Suche nach dem/den Ring(en)

Keasling, der auch Professor an der UC Berkeley ist, hatte schon lange ein Auge auf Cyclopropan-Moleküle geworfen. Er hatte die wissenschaftliche Literatur nach organischen Verbindungen mit Dreikohlenstoffringen durchforstet und nur zwei bekannte Beispiele gefunden, die beide von Streptomyces-Bakterien hergestellt werden, die in einer Laborumgebung fast unmöglich zu züchten sind. Glücklicherweise war eines der Moleküle aufgrund des Interesses an seinen antimykotischen Eigenschaften untersucht und genetisch analysiert worden. Das 1990 entdeckte Naturprodukt trägt den Namen jawsamycin, weil es mit seinen beispiellosen fünf Cyclopropanringen wie ein Kiefer mit spitzen Zähnen aussieht.

Keaslings Team, das sich aus Wissenschaftlern des JBEI und des ABPDU zusammensetzt, untersuchte die Gene des ursprünglichen Stammes(S. roseoverticillatus) , die für die Jawsamycin-bildenden Enzyme kodieren, und tauchte tief in die Genome verwandter Streptomyces ein, um nach einer Kombination von Enzymen zu suchen, die ein Molekül mit den zahnartigen Ringen des Jawsamycins bilden könnten, während sie die anderen Teile der Struktur auslassen. Wie ein Bäcker, der Rezepte umschreibt, um das perfekte Dessert zu erfinden, hoffte das Team, bestehende bakterielle Maschinen neu zu mischen, um ein neues Molekül mit brennbaren Treibstoffeigenschaften zu schaffen.

Erstautor Pablo Cruz-Morales konnte alle notwendigen Zutaten für die Herstellung von POP-FAMEs zusammenstellen, nachdem er in einem Stamm namens S. albireticuli neue Enzyme zur Herstellung von Cyclopropan entdeckt hatte . "Wir suchten in Tausenden von Genomen nach Stoffwechselwegen, die das, was wir brauchten, auf natürliche Weise herstellen. Auf diese Weise haben wir die Technik vermieden, die möglicherweise nicht funktioniert, und die beste Lösung der Natur genutzt", so Cruz-Morales, leitender Forscher am Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability der Technischen Universität Dänemark und gemeinsam mit Keasling Leiter des Labors für natürliche Hefeprodukte.

Leider waren die Bakterien nicht so kooperativ, wenn es um die Produktivität ging. Streptomyceten, die in den Böden aller Kontinente allgegenwärtig sind, sind bekannt für ihre Fähigkeit, ungewöhnliche Chemikalien herzustellen. "Viele der heute verwendeten Medikamente, wie Immunsuppressiva, Antibiotika und Krebsmedikamente, werden von gentechnisch veränderten Streptomyces hergestellt ", so Cruz-Morales. "Aber sie sind sehr kapriziös und es ist nicht angenehm, mit ihnen im Labor zu arbeiten. Sie sind talentiert, aber sie sind Diven". Als zwei verschiedene Streptomyces nicht in der Lage waren, POP-FAMEs in ausreichender Menge zu produzieren, mussten er und seine Kollegen ihr neu angeordnetes Gencluster in einen "zahmeren" Verwandten kopieren.

Die daraus resultierenden Fettsäuren enthalten bis zu sieben Cyclopropanringe, die an ein Kohlenstoffgerüst gekettet sind, was ihnen den Namen Fuelimycine einbrachte. Ähnlich wie bei der Herstellung von Biodiesel benötigen diese Moleküle nur einen weiteren chemischen Verarbeitungsschritt, bevor sie als Kraftstoff verwendet werden können.

Jetzt kochen wir mit Cyclopropan

Obwohl sie noch nicht genügend Kraftstoffkandidatenmoleküle für Feldtests hergestellt haben - "man braucht 10 Kilogramm Kraftstoff, um einen Test in einem echten Raketentriebwerk durchzuführen, und so weit sind wir noch nicht", erklärt Cruz-Morales lachend - konnten sie Keaslings Vorhersagen zur Energiedichte bewerten.

Kollegen am Pacific Northwest National Laboratory analysierten die POP-FAMEs mit kernmagnetischer Resonanzspektroskopie, um das Vorhandensein der schwer fassbaren Cyclopropanringe nachzuweisen. Und Mitarbeiter der Sandia National Laboratories schätzten mit Hilfe von Computersimulationen ab, wie sich die Verbindungen im Vergleich zu herkömmlichen Kraftstoffen verhalten würden.

Die Simulationsdaten deuten darauf hin, dass die POP-Kraftstoffkandidaten bei Raumtemperatur sicher und stabil sind und nach der chemischen Verarbeitung eine Energiedichte von mehr als 50 Megajoule pro Liter aufweisen werden. Normales Benzin hat einen Wert von 32 Megajoule pro Liter, JetA, der gebräuchlichste Flugzeugtreibstoff, und RP1, ein beliebter Raketentreibstoff auf Kerosinbasis, liegen bei etwa 35 Megajoule pro Liter.

Im Laufe ihrer Forschung entdeckte das Team, dass ihre POP-FAMEs in ihrer Struktur einem experimentellen Raketentreibstoff auf Erdölbasis namens Syntin sehr ähnlich sind, der in den 1960er Jahren von der sowjetischen Raumfahrtbehörde entwickelt und in den 70er und 80er Jahren für mehrere erfolgreiche Sojus-Raketenstarts verwendet wurde. Trotz seiner starken Leistung wurde die Herstellung von Syntin aufgrund der hohen Kosten und des unangenehmen Prozesses eingestellt: eine Reihe von synthetischen Reaktionen mit giftigen Nebenprodukten und einem instabilen, explosiven Zwischenprodukt.

"Obwohl POP-FAMEs ähnliche Strukturen wie Syntin aufweisen, haben viele von ihnen eine höhere Energiedichte. Höhere Energiedichten ermöglichen geringere Treibstoffvolumina, was in einer Rakete zu höheren Nutzlasten und geringeren Gesamtemissionen führen kann", so der Autor Alexander Landera, wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Sandia. Eines der nächsten Ziele des Teams ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Entfernung der beiden Sauerstoffatome an jedem Molekül, die zwar Gewicht hinzufügen, aber keinen Vorteil bei der Verbrennung bringen. "Wenn sie einem Düsentreibstoff beigemischt werden, könnten richtig deoxygenierte Versionen von POP-FAMEs einen ähnlichen Vorteil bieten", fügte Landera hinzu.

Seit der Veröffentlichung ihres Proof-of-Concept-Papiers haben die Wissenschaftler damit begonnen, die Produktionseffizienz der Bakterien noch weiter zu steigern, um genug für Verbrennungstests zu erzeugen. Außerdem untersuchen sie, wie der Multi-Enzym-Produktionsweg modifiziert werden könnte, um polyzyklopropanierte Moleküle unterschiedlicher Länge zu erzeugen. "Wir arbeiten daran, die Kettenlänge auf bestimmte Anwendungen abzustimmen", sagt Sundstrom. "Längerkettige Kraftstoffe wären Feststoffe, die sich gut für bestimmte Raketentreibstoffanwendungen eignen, kürzere Ketten könnten besser für Düsentreibstoff geeignet sein, und in der Mitte könnte ein Molekül stehen, das eine Alternative zu Diesel ist."

Die Autorin Corinne Scown, Direktorin für techno-ökonomische Analysen am JBEI, fügte hinzu: "Die Energiedichte ist das A und O in der Luft- und Raketenfahrt, und hier kann die Biologie wirklich glänzen. Das Team kann Treibstoffmoleküle herstellen, die auf die Anwendungen zugeschnitten sind, die wir in diesen sich schnell entwickelnden Sektoren benötigen."

Schließlich hoffen die Wissenschaftler, den Prozess in einen Bakterienstamm zu überführen, der große Mengen an POP-Molekülen aus pflanzlichen Abfällen (wie ungenießbare landwirtschaftliche Rückstände und zur Verhütung von Waldbränden gerodetes Gestrüpp) produzieren kann, wodurch der ultimative kohlenstoffneutrale Treibstoff entstehen könnte.

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