利用微生物制造新火箭燃料 稱其『能量密度比任何石油產品都高』

自1903年以來，人類開始利用火箭推進飛行器探索宇宙。隨著現代技術的不斷發展，人類不再滿足于近地探索，中國、美國等大國相繼宣布了宇宙深空探索計劃。

從近地探索邁向深空探索，火箭的飛行速度、航程等性能需要相應地提升。因此，高能量密度燃料的設計和制備越來越受到國內外研究者的重視。

據了解，在飛行器體積一定的情況下，燃料密度越大則所能攜帶的燃料越多；而燃燒熱值越高則單位體積燃料所提供的能量越大，對于提高飛行器的性能越有利。

近日，美國能源部下屬的勞倫斯伯克利國家實驗室宣布開發了一種新的能量密集型生物燃料。他們稱，這種燃料的動力足以發射火箭，且預計該生物燃料的能量密度比任何石油產品都高，包括領先的航空和火箭燃料JetA和RP-1。

這些燃料候選分子被稱為多環丙烷脂肪酸甲酯，其驚人的能量潛力來自結構的基本化學性質。

多環丙烷分子含有多個三角形的三碳環，使每個碳碳鍵形成一個尖銳的60度角。與燃料中常見的較大的環結構或碳-碳鏈相比，這種張力鍵中的勢能轉化為更多的燃燒能量。此外，這些結構使燃料分子在小體積內緊密地聚集在一起，增加了任何給定油箱內燃料的質量，從而增加了總能量。

該項目的負責人是合成生物學先驅、能源部聯合生物能源研究所首席執行官杰·基斯林，他的團隊由JBEI（科學生物能源研究中心辦公室）和ABPDU（先進生物燃料工藝示范單元-勞倫斯伯克利國家實驗室）的科學家組成。

杰·基斯林長期以來一直關注環丙烷分子，他發現，目前兩個已知的具有三碳環的有機化合物都是由鏈霉菌天然代謝產生的。

團隊對以上兩個有機化合物之一的顎沙霉素進行了研究。顎沙霉素于1990年被發現，之所以這樣命名，是因為它前所未有的五個環丙烷環使它看起來像一個長滿尖牙的下巴。

他們研究了原始菌株中編碼構建顎沙霉素的酶的基因，以及相關鏈霉菌的基因組，希望重新混合現有的細菌機制，以創造出一種具有可立即燃燒的燃料特性的新分子。

之后，他們又在原始菌株中發現，負責構建這些高能環丙烷分子的酶是聚酮化合物合酶，該酶能夠組裝所有必要的成分來制造多環丙烷脂肪酸甲酯。

由工程鏈霉菌產生的脂肪酸含有多達七個環丙烷環鏈在一個碳主鏈上，被稱為燃料霉素，在此基礎上，只需要一個額外的化學處理步驟就可以用作燃料。

研究人員還對這種生物燃料的能量密度進行了評估。

一方面，利用核磁共振光譜分析多環丙烷脂肪酸甲酯，證明了難以捉摸的環丙烷環的存在；另一方面，使用計算機模擬來對比了這些化合物與傳統燃料的性能。

模擬數據表明，這種生物燃料在室溫下是安全和穩定的，其能量密度值將超過每升50兆焦耳。普通汽油為每升32兆焦耳，最常見的噴氣燃料JetA和流行的基于煤油的火箭燃料RP1約為35兆焦耳。

接下來，對于多環丙烷脂肪酸甲酯的優化分為兩個方向。

其一，幫助這種生物燃料進一步“減負”，即去除每個分子上的兩個氧原子。氧原子增加了重量但沒有燃燒益處，適當脫氧能進一步優化多環丙烷脂肪酸甲酯。

其二，努力提高細菌的生產效率，以產生足夠的燃燒測試。目前，工程鏈霉菌的生產力有限，無法生產足夠數量的多環丙烷脂肪酸甲酯。10公斤的燃料才能在真正的火箭發動機中進行測試。團隊正在研究如何修改多酶生產途徑以產生不同長度的多環丙烷化分子。長鏈的固體燃料將用作某些火箭燃料，短鏈可能更適合噴氣燃料，中間的可能是柴油替代分子。

這種生物燃料除了超高能量密度，另一個不可忽視的優點是，其在生產和使用過程中具有生態優勢。

傳統生產中，該類燃料只能以石油為原料，使用劇毒合成工藝制備而來。多環丙烷脂肪酸甲酯則是由以植物物質為食的細菌生產，原料通常為不可食用的農業殘留物，以及為預防野火而清除的灌木叢。相對于石油產生的燃料，使用過程中將顯著降低溫室氣體的產生量。