El vuelo aéreo propulsado por microorganismos es plausible, pero con salvedades.

Como señala en su pregunta, el hidrógeno es el mejor gas de elevación que tenemos. Entonces esto se convierte en una pregunta de "¿Cuál es el proceso biológico más eficiente que produce H$_2$?" La respuesta, por supuesto, es algas .

Normalmente, las algas obtienen su energía de la fotosíntesis: absorben la luz solar, el agua y el dióxido de carbono para producir ATP, azúcares complejos y oxígeno. Sin embargo, bajo las condiciones adecuadas (mumble mumble heterocistos de limitación de azufre mumble) algunas algas cambiarán a un estado metabólico de " fotosíntesis oxigénica anaeróbica ". En este estado, el oxígeno producido por la fotosíntesis es utilizado por la propia respiración de la célula, produciendo un ambiente anóxico, que a su vez desencadena la producción de gas hidrógeno.

Lo que esto significa es que las algas pueden producir H$_2$gas casi directamente de los protones. Aún mejor, podemos recolectarlo y ya estamos en camino de convertirlo en un reemplazo rentable de los combustibles fósiles . ¿Energía limpia en nuestra vida? Sí, por favor.

Sin embargo, eso no es suficiente para responder la pregunta, que se refiere a la tasa de H$_2$producción. En 2001, una empresa construyó un biorreactor de 500 litros que podía producir la asombrosa cantidad de 1 litro de gas hidrógeno por hora. Con ese tipo de potencial, nuestro globo necesitaría suerte para comenzar a inflarse. Sin embargo, eso fue en 2001, y el primer año en que comenzó la empresa. En ese momento, calcularon un máximo teórico de 20 gramos de hidrógeno por día, unos 10 litros por hora. En 2004, salió una revisión que postulaba un máximo de 5,45 kg de H$_2$por metro cuadrado por año. Esa es una tasa de ~ 7 litros por hora, todavía un poco demasiado lenta. En 2011, multiplicamos esa tasa por 5 al crear fotosistemas biohíbridos que utilizan nanopartículas de platino. En 2013, logramos hacerlo aún mejor y aumentar nuestra eficiencia 4 veces al modificar las antenas de clorofila , y desde entonces eso se ha incrementado a 13 veces. Así que nuestra tasa actual de H$_2$¡La producción es de unos 450 litros por hora! Por supuesto, esta es una eficiencia máxima idealizada y aún no la hemos logrado a gran escala.

Entonces, ¿qué significa eso para nuestro globo? En un mundo donde la gente confía en globos como este, supondré que están operando bastante cerca de la máxima eficiencia, quizás 400 litros por hora por metro cuadrado. Por supuesto, puede haber problemas con esto , pero es una estimación decente para empezar. De skydrifters.com , aprendemos que un globo aerostático promedio pesa 800 libras. Ya que estamos viajando y comerciando, llamémoslo 500 kg en total. Levantar 500 kg con gas hidrógeno requiere ~40 kg H$_2$. A presión de aire y temperatura normales, ocupa un volumen de 450.000 litros. Así, nuestro globo tardará aproximadamente 41 días en llenarse por sus propios medios. Eso va a ser difícil de lograr.

Sin embargo, este cálculo muestra que las algas pueden producir suficiente gas para levantar un globo, y sin duda sería una forma ecológica de viajar. También permite maniobrabilidad en el aire y viajes aéreos esencialmente permanentes . Una vez que el globo sube, las algas pueden extraer su CO$_2$directamente desde el aire y el globo se alimentará solo con luz. Además, es muy posible que los pueblos y ciudades comiencen a cultivar campos de algas para que llenar el tanque en una ciudad sea bastante fácil y atraiga a los globos aerostáticos a visitarla.

En el aire, dicho globo ascendería normalmente ya que las algas producen gas hidrógeno. Además, H$_2$el gas se comprime bastante bien, y podría tener sentido que los aeronautas mantengan un compresor a bordo para capturar cualquier exceso de H$_2$producido para una ráfaga rápida si es necesario. Descender es la parte fácil: lo más sencillo sería ventilar el H$_2$o comprimiéndolo para más tarde. También puede rociar el interior del globo con algún tipo de azufre inorgánico, que cerraría temporalmente las vías de fotosíntesis secuestradas, o agregar oxígeno, lo que destruiría parte de la enzima hidrogenasa.

La imagen mental que tengo de este sistema es un globo claro muy burdo y bastante grande. La membrana exterior estaría hecha de una envoltura de plástico o algún otro sólido transparente impermeable y ligero, y habría capas de algas directamente en el interior. Cualquier H$_2$producido llenaría el globo y contribuiría a la sustentación, desplazando el aire más denso mientras tanto. Dado que los microbios viven mejor en un ambiente anóxico, esto ni siquiera sería un problema. El mantenimiento consistiría esencialmente en reemplazar los nutrientes y eliminar las células muertas del interior, lo que probablemente se haría en el suelo, pero podría hacerse en el aire si uno puede contener la respiración el tiempo suficiente.

Así que la primera pregunta. Si el microbio no tiene que existir ya en la Tierra, entonces no hay razón para que no sea posible.
Solo diga que este súper microbio existe, y cuando se combina con otros métodos como un catalizador de algún tipo (como el níquel, por ejemplo), puede producir suficiente gas para hacerlo posible.

Otra posibilidad es que el organismo trabaje lentamente, pero el gas se acumule con el tiempo. Así que digamos que llenar un globo nuevo hasta la presión lleva un par de semanas, pero si sigues poniendo recursos, entonces el microbio seguirá produciendo y mantendrá el globo lleno. Esta opción requeriría un material que retuviera muy bien el gas.

En segundo lugar, hay otras formas posibles de controlar los cambios de altitud además de la ventilación. Si comprime el gas de elevación , será menos flotante y, por lo tanto, descenderá. podrías poner un globo dentro del globo e inflar el globo interior con aire cuando quieras descender.

En cuanto a la tercera pregunta, esto es un poco más complicado. Como dijo una vez un hombre sabio: "La vida, eh, encuentra un camino".

Hay varios mecanismos autolimitantes que podrían usarse.

• El microbio tiene un microbio depredador natural que evita que se salga de control en la naturaleza. Podría ser otro microbio, algún tipo de alga, etc.
• Hay un compuesto en el combustible crudo que obstaculiza el microbio que no está presente en el combustible refinado o se agrega algo al combustible refinado que le da un impulso al microbio. Esto también podría actuar como un catalizador.
• El microbio tiene un tamaño de colonia fijado genéticamente que es lo suficientemente grande como para usarse en un sistema de producción de gas, pero no lo suficientemente grande como para causar problemas en la naturaleza.

No me parece.

Esto empieza a ser un problema de cohetes. Cuanto más gas necesita, más microbios y nutrientes necesita para los microbios y eso agrega masa. Para levantar esa masa, necesita producir más gas de elevación, lo que requiere más microbios y nutrientes, etc. Si no puede pasar el punto de equilibrio, no irá a ninguna parte.

Además, los microbios quieren crecer y reproducirse. Evolucionan para ser lo más eficientes posible en la conversión de nutrientes/energía en biomasa con el menor desperdicio posible. En este caso, el gas de elevación es un producto de desecho. Si bien es posible diseñar un microbio para que produzca más gas que biomasa, no creo que los encuentres en la naturaleza.

Además, tendría que alejar ese gas de elevación de los microbios. Muy pocos organismos pueden sobrevivir sumergidos en sus propios productos de desecho. En algún momento, la presión parcial del gas en el aire alrededor del microbio será lo suficientemente alta como para que el microbio no pueda excretar el gas y muera.

El microbio también tendrá que tener acceso a los gases que pueda absorber. Espero que los microbios no sean respiradores de oxígeno, ya que el oxígeno y la mayoría de los gases de elevación producidos biológicamente no se mezclan bien.

Para que esto funcione, creo que necesitaría una lámina delgada del microbio con aire y nutrientes en un lado de la lámina y la recolección de gas de elevación en el otro lado. Podrías hacer una bolsa con esta sábana si puedes hacer que la sábana sea lo suficientemente fuerte. Sin embargo, un organismo multicelular diseñado en la forma correcta funcionaría mejor que tratar de mantener los microbios en una forma.

bacterias

Muy aproximadamente, el hidrógeno gaseoso H ₂ tiene 2 g por volumen estándar (22,4 l), mientras que el aire es 80 % N ₂ (28 g/mol) + 20 % O ₂ (32 g/mol) y da un promedio de 28,8 gramos. Entonces, dos gramos de hidrógeno, desplazando 28,8 gramos de aire, generan 26,2 g de elevación (probablemente un poco menos debido a que el globo está algo comprimido). Cada gramo de hidrógeno nos gana 13 g de sustentación.

¿Cómo conseguimos esos 2g de hidrógeno? Necesitamos una materia prima altamente hidrogenada, por lo que una molécula con hidrógeno enlazada con los elementos más ligeros posibles y que contenga un exceso de energía química.

Los elementos de luz disponibles incluyen:

• litio (el hidruro de litio se "quema" en hidrógeno por sí mismo, solo agregue agua, no se necesitan bacterias - LiH + H ₂ O → LiOH + H ₂ ; todavía necesitamos una molécula de agua y una molécula de LiH por cada molécula de hidrógeno disponible, lo que requiere una oxígeno (peso 16) y un litio (peso 7), para una relación total de 2:23 o 8,7%)
• berilio (hidruro de berilio, sintetizado en 1951. No vayamos por ahí ).
• boro (hidrógeno boranos. Factible, pero un poco demasiado enérgico ).
• carbón. Muy prometedor: no solo se une al hidrógeno, sino que se une a sí mismo en compuestos estables.
• oxígeno. Esto significa agua; no hay mucha energía allí.
• nitrógeno. Esto significa amoníaco; pero oxidarlo da como resultado ácido nítrico, no gas hidrógeno. Problemas de disociación: como el agua, pero peor.
• aluminio. No muy diferente de los boranos para la violencia , y necesitamos agua.
• flúor. Los mismos problemas que el amoníaco pero mucho, mucho peores .
• sodio. Costoso y difícil de manejar, y difícil de manejar . Relación en peso exactamente la mitad del litio (no es coincidencia: tanto el litio como el sodio son del grupo I), 4,34%. Subir en la tabla periódica solo empeorará las cosas.

La mejor opción son los hidrocarburos saturados. Necesitamos una vía metabólica a través de la cual las bacterias disocien el hidrocarburo C _n H _2n+2 y oxiden el carbono, pero no el hidrógeno. Hay suficiente energía disponible en los hidrocarburos para que no defraudemos a las pequeñas criaturas:

• C _norte H _2n+2 + nO ₂ → nCO ₂ + (n+1)H ₂ .

La proporción ponderal de hidrógeno en C _n H _2n+2 es del orden del 14%; por lo tanto, un kilogramo de materia prima producirá 0,14 kg de hidrógeno, proporcionando una elevación de 1,82 kg. Dado que también nos deshacemos de un kg de materia prima que actuaba como lastre, el efecto de elevación total es de 2,82 kg.

No mucho, realmente, y creo que eso es lo mejor que se puede hacer. Pero tal vez sea suficiente.

algas manipuladas

Otra posibilidad es un organismo pseudo-fotosintético que recolecte agua de la atmósfera, la fotodisocie y libere H ₂ y O ₂ . Pero dicho organismo no tendría ninguna ventaja al hacerlo (aunque podría hacerlo una vez que estuviera completamente maduro y estable), porque la energía iría por completo a los productos de "desecho", y la tasa de producción sería incluso menor que en el primer caso (la luz solar entrante debe ser igual a la energía química que se almacena en los gases disociados, y para la mezcla de hidrógeno, eso es mucha energía , mientras que la luz solar es, creo, alrededor de 1,2 kW por metro cuadrado).

"un electrolizador 100% eficiente consumiría 39,4 kilovatios-hora por kilogramo (142 MJ/kg) de hidrógeno" ( Wikipedia ), por lo que podemos esperar alrededor de 30,4 gramos de hidrógeno por hora de cada metro cuadrado de panel de algas, o alrededor de 0,4 kg de elevación por m ² por hora . Probablemente mucho menos porque las algas verdes y azules no absorben toda la energía de todo el espectro solar. Teniendo en cuenta el peso de un panel de algas (que necesita agua y soporte), esto probablemente significa que este no es un camino muy prometedor. ¿O es eso?

Bajemos de todos modos. El Hindenburg podría haber tenido unos 9000 m ² disponibles, produciendo 270 000 gramos de H ₂ por hora a plena luz del sol. Eso es alrededor de tres millones de litros por hora, o 3024 m ³ de hidrógeno por hora. El mismo Hindenburg requirió 200.000 m ³ de hidrógeno; eso significa que en una hora podemos reponer alrededor del 1,5% de su contenido de gas, a cambio de un peso no inferior a las 90 toneladas (diez kg por m 2 ) ^o 180.000 libras de su carga útil de 511.000 libras. En teoría es factible, pero creo que estamos empujando las cosas; todos los valores anteriores se calculan a partir de las circunstancias más optimistas. Un peso de panel de 30 kg por metro cuadrado (y cuando piensas en vidrio, oLos plásticos a prueba de hidrógeno pero delgados y transparentes (y el agua, 30 kg están más cerca de lo que parece) podrían hacer que todo el esfuerzo sea matemáticamente imposible.

Los globos más grandes y planos podrían aumentar la comodidad de todo, especialmente si pudiéramos construirlos con plásticos transparentes a prueba de hidrógeno y colocar las algas en la superficie inferior interna . Todavía no podíamos mantenerlos descubiertos (porque necesitamos secuestrar y desechar el oxígeno que producen). Pero en ese momento hay grandes problemas estructurales, y el hecho de que realmente no tenemos un plástico transparente a la luz del sol lo suficientemente resistente para soportar el estrés, que no perderá hidrógeno como un colador. Pero esto quizás podría descartarse ;-)

Creo que "sí", pero con un par de cambios de perspectiva:

En primer lugar, piense en un dirigible y no en un globo aerostático: no use su gasolina para controlar su altitud, es demasiado valiosa para simplemente ventilarla. Utilice impulsores y aviones de control, como un dirigible para VOLAR hacia arriba y hacia abajo.

La parte de "echar más combustible para subir" es poco probable... pero eso no significa que no puedan generar todo el impulso necesario CON EL TIEMPO...

Lo que también resuelve el problema de la masa... manteniendo una colonia de bacterias a mano que es lo suficientemente grande como para mantener perpetuamente el dirigible lleno y aumentar el volumen por el bien de la carga ocasional de carga pesada...