Technologia Carboxen^® bada pochodzenie planet i poprawia życie na Ziemi

Zanim słońce wzeszło na niebie nad przylądkiem Canaveral rankiem 15 października 1997 roku, sonda Cassini rozpoczęła swoją siedmioletnią podróż na odległość 2,1 miliarda mil, aby zbadać układ Saturna. Przypominający skorupiaka próbnik Huygens na jej pokładzie miał wykonać pierwsze w historii lądowanie na Tytanie, jednym z lodowych księżyców Saturna. Celem misji było zebrać informacje o tajemnicach pierścieni Saturna i ich księżyców oraz, być może, nabyć wgląd w początki naszego układu słonecznego.

Ukryte głęboko w sondzie Cassini-Huygens znajdowały się małe, sferyczne kulki w technologii węglowej, gotowe do poboru i zagęszczania gazów do analizy. Kosmonauci Carboxen^® z portfolio Supelco^® byli gotowi śmiało podążyć tam, gdzie nie dotarła jeszcze żadna technologia adsorpcyjna, a dane, które mieli dostarczyć, okazałyby się wstrząsnąć fundamentalnymi teoriami na temat tego, jak powstał nasz układ słoneczny.  

Technologia produktowa Supelco^® miała zostać zastosowana w dwóch analizatorach. Spektrometr mas jonów i cząstek neutralnych (INMS) na Cassini zawierał Carboxen^® 1004 – skomplikowanie zaprojektowaną, pieczołowicie jednorodną i wieloporową warstwę sfer węglowych do analizy izotopów wodoru i węglowodorów krótkołańcuchowych. Jej wyniki wykorzystano by do udoskonalenia teorii wielkiego wybuchu i poszukiwania oznak form życia. 

Chromatograf gazowy i spektrometr masowy (GC-MS) na próbniku Huygens zawierał Carboxen^® 1017 – grafitowane węglowe sito molekularne. Ta technologia miała umożliwić pobór i zagęszczanie próbek podczas 2,5-godzinnego opadania na powierzchnię Tytana, a następnie 72-minutowe zbieranie danych po lądowaniu.

„Energia w pomieszczeniu była niemal namacalna, kiedy usłyszeliśmy o wynikach” wspomina Betz. „Huygens ustalił, że głównymi gazami w atmosferze Tytana są azot i metan. Wykrycie stosunków izotopów azotu i węgla oraz odnotowanie braku gazów szlachetnych innych niż argon umożliwiło stworzenie modelu ewolucji atmosfery Tytana. To natomiast ujawniło dane sprzeczne z tymi zmierzonymi na Wenus i Jowiszu oraz zapoczątkowało szersze rozmowy o powstawaniu planet.

„Niesamowite, że dane z Tytana mogą ukształtować sposób, w jaki postrzegamy nasz układ słoneczny” twierdzi Betz. „Teraz wiemy, że metan i etan opadają jako deszcz z chmur i gromadzą się w rzekach i jeziorach na biegunach, a stały ląd składa się z zamrożonej wody pokrytej piaskami węglowodorów, które opadają z atmosfery. To daje dość dokładny obraz pierwszych dni powstawania Ziemi”.

Na ISS i jeszcze dalej...

Cassini wykonała swoje ostatnie zadanie, lecąc wahadłowo między Saturnem i jego pierścieniami, aż wpadła w jego atmosferę, gdzie do końca przesyłała dane, zanim spłonęła jak meteor i stała się częścią samej planety.

Ale to nie oznaczało końca Carboxenów w kosmosie. W 2018 roku NASA zadzwoniło ponownie, tym razem z misją dotyczącą miniaturowego monitoringu atmosferycznego na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS). Współpracując z Laboratorium Napędów Odrzutowych NASA, firma Merck została poproszona o dostarczenie prekoncentratora do chromatografu gazowego z prekoncentracją o mikroelektrycznych systemach mechanicznych (MEMS PCGC) Ta przyszłościowa technologia umożliwiałaby kluczową analizę składników głównych i śladowych gazów na pokładzie ISS, podczas czynności pozapojazdowych i wewnątrz skafandrów kosmicznych.

„To rozwiązanie wymagało ogromnego skoku technologicznego” wspomina Dr Leidy Peña Duque, starsza badaczka w dziedzinie technologii adsorpcyjnych. „NASA chciało ulepszyć obecne systemy monitoringu powietrza w niemal każdy sposób: mniejsze i lżejsze przyrządy, częstszy monitoring i stałe działanie. Kosmonauci polegają na danych z tych systemów, jako że nawet najmniejsze dysproporcje w stosunkach atmosferycznych mogą mieć prędkie i poważne konsekwencje. Nasza technologia musiała być odporna na awarie, ale również sprawdzić się w obliczu szerokiego zakresu parametrów wydajności”.

Zespół wykorzystał Carboxen 1000, warstwę monomolekularną syntetycznych sfer węglowych o wysokiej czystości, z których każda mierzy pomiędzy 177 – 250 µm i ma średnicę porów raptem 10 – 12 Å. Ta cieniutka warstwa monomolekularna, dostarczona na czipie nie większym od małej monety, zagęszcza gazy 4000-krotnie, co jest ogromnym skokiem w porównaniu z możliwościami poprzedniego systemu.

„Ten nowy system mierzy główne składniki gazów co dwie minuty, zapewniając kontrolę powietrza wdychanego przez kosmonautów niemal w czasie rzeczywistym,” tłumaczy Duque. „Poprzednie systemy umożliwiały jedynie od 3 do 5 odczytów na godzinę, a na dodatek NASA może teraz co tydzień badać śladowe składniki gazów. Ten niezawodny towarzysz waży jedną trzecią swojego poprzednika i dostarcza dane automatycznie. Kosmonauci wiedzą dokładnie, co wdychają, a na wypadek zmiany jakiegokolwiek parametru mogą natychmiast zareagować”.

Od kosmosu do leczenia raka i dużo, dużo więcej

„Te małe węglowe kulki mają niesamowity potencjał i równie ważną rolę tu, na Ziemi” dodaje Duque. „Jako że produkuje się je poprzez syntezę w laboratorium, cechują się znacznie lepszą czystością i profilem morfologicznym w porównaniu z naturalnie pozyskiwanym węglem aktywnym, dlatego mogą być stosowane w najtrudniejszych procesach oczyszczania”.

Carboxeny obecnie znalazły zastosowanie w nowoczesnej produkcji materiałów biologicznych, a niedawno w oczyszczaniu przeciwciał monoklonalnych (mAbs) na potrzeby leczenia raka i chorób autoimmunologicznych. Białka komórek gospodarza (HCP) to bioprodukty z procesu produkcji mAbs, które mogą spowodować negatywne odpowiedzi odpornościowe u pacjentów, jeśli nie zostaną usunięte z końcowego procesu leczenia. HCP o niskiej masie cząsteczkowej są szczególnie trudne do usunięcia z powodu swoich właściwości fizykochemicznych i niespecyficznej asocjacji z przeciwciałami. W dodatku wczesne etapy procesów prowadzą do wysoce zmiennych warunków pH i przewodności, co sprawia, że wiele procesów oczyszczających jest nieodpowiednich do tego zastosowania.

„Dzięki wysoce elastycznej naturze Carboxenów oczyszczanie może zajść na skrajnych poziomach pH oraz w warunkach hydrofilowych i hydrofobowych, a ponadto są one na tyle skuteczne, że niekonieczne musi być zastosowanie dalszych procesów wymiany jonowej. To może być rewolucyjna zmiana w kwestii poprawy bezpieczeństwa i skuteczności mAbs”.

„To tylko początek drogi Carboxenów, a są one tylko jedną częścią szerokiego portfolio technologii węglowych marki Supelco^®” dodaje Duque. „Obecnie badamy możliwość ich zastosowania w akumulatorach, aby wspomagać katalizatory z metali szlachetnych. Dzięki precyzji Carboxenów możemy zredukować ilość potrzebnych metali szlachetnych. To będzie stanowić kluczową kwestię dla naszej podróży w kierunku bardziej zrównoważonego transportu i magazynowania energii przy użyciu tych ograniczonych zasobów”.

Carboxeny przysłużyły się nam w kosmosie, przez co obecnie wirują wokół Saturna i skrupulatnie sprawdzają powietrze wdychane przez kosmonautów. Jednak w miarę jak trwa ich misja tutaj, na Ziemi, poprzez oczyszczanie ratujących życie leków przeciwnowotworowych i napędzanie zrównoważonej rewolucji energetycznej, wiemy, że jest to jedynie kilka kroków w ich wędrówce. Gdzież jeszcze mogą nas zaprowadzić te drobne kulki węglowe?