Учёные предложили печатать здания на Марсе из местного грунта и дрожжей
Учёные разработали живой строительный материал, из которого в будущем можно будет печатать конструкции на Марсе с помощью 3D-принтера. В его состав входят аналог марсианского грунта, желатин и генетически модифицированные дрожжи. После высушивания материал достигает прочности, сопоставимой с низкосортным бетоном, а затем его можно разрушить, переработать и повторно использовать.
Работу возглавил инженер-строитель Цзишэнь Цю из Гонконгского университета науки и технологий. Идея возникла из-за особенностей марсианской среды: на поверхности планеты одновременно наблюдаются очень низкие температуры и крайне разреженная атмосфера, что создаёт условия, напоминающие сублимационную сушку.
Исследователи решили использовать эти условия не как препятствие, а как часть технологического процесса. В лаборатории материал удалось печатать при температуре около −30 °C и давлении примерно 0,01 атмосферы, имитируя часть условий, характерных для Марса.
Основу смеси составляет пескоподобный минеральный материал, который играет роль наполнителя и обеспечивает конструкции массу и жёсткость. Связующим компонентом служит желатин, а дополнительную прочность обеспечивают специально модифицированные дрожжи.
Учёные изменили дрожжевые клетки так, чтобы на их поверхности образовывались высокоадгезивные белки. Среди них использовались белки, похожие на те, с помощью которых мидии способны прочно прикрепляться к камням и другим поверхностям во влажной среде.
Желатин связывает компоненты смеси и одновременно создаёт подходящую среду для существования клеток. После прохождения материала через сопло 3D-принтера низкая температура замораживает содержащуюся в нём воду, а пониженное давление способствует её переходу непосредственно из льда в пар.
В результате смесь подвергается процессу, напоминающему сублимационную сушку. После удаления воды внутри остаётся большое количество микроскопических пор, поэтому затвердевший материал по структуре напоминает лёгкую пену.
На нынешнем этапе исследователи печатают небольшие куполообразные образцы высотой около 45 миллиметров и шириной 30 миллиметров. Несмотря на малые размеры испытательных конструкций, механические характеристики материала оказались достаточно высокими.
Его прочность на сжатие достигла 10–12 мегапаскалей. По словам Цю, это сопоставимо с низкосортным бетоном и на Земле было бы достаточно для строительства одно- или двухэтажных сооружений.
Гравитация на Марсе примерно втрое слабее земной, поэтому нагрузки на строительные конструкции там будут меньше. Исследователь считает, что при сохранении механических характеристик после масштабирования такой материал потенциально можно будет использовать и для более высоких марсианских сооружений.
Одним из преимуществ технологии является сравнительно небольшая потребность в энергии. Многие предложенные ранее методы внеземного строительства предусматривают нагрев и спекание местного грунта или его частичное расплавление для получения кирпичей и других строительных элементов. Такие процессы требуют значительных энергетических затрат.
Новый подход вместо интенсивного нагрева использует биологические компоненты и естественное воздействие низкой температуры и давления. В перспективе большая часть твёрдого наполнителя могла бы поступать непосредственно из марсианского реголита, что уменьшило бы количество строительных материалов, доставляемых с Земли.
Ещё одной особенностью является возможность повторного использования биологического компонента. После демонтажа конструкции дрожжевые клетки теоретически можно извлечь и снова размножить в биореакторе. По словам Цю, даже небольшого количества сохранившихся живых клеток может быть достаточно для получения новой культуры.
Это позволяет рассматривать технологию как элемент замкнутого производственного цикла будущей марсианской базы, где ограниченные ресурсы будут многократно перерабатываться вместо постоянной доставки новых материалов с Земли.
Однако до практического строительства на Марсе ещё далеко. Все эксперименты проводились на Земле, и исследователи пока не знают, смогут ли модифицированные дрожжи сохранять жизнеспособность в реальной марсианской среде.
Поверхность Марса подвергается интенсивному воздействию ультрафиолетового и космического излучения, а давление, температура и химический состав окружающей среды создают дополнительные ограничения для живых организмов. Поэтому будущие испытания должны показать, насколько устойчивым окажется материал при полном наборе марсианских факторов.
Технология также по-прежнему зависит от компонентов, доставляемых с Земли, включая желатин и исходную культуру дрожжей. По оценке Цю, для создания инфраструктуры значительного масштаба на месте всё равно могут потребоваться сотни тонн оборудования и материалов, доставленных ракетами.
Исследователям также предстоит значительно увеличить размеры печатаемых конструкций и проверить, сохраняются ли механические свойства материала при масштабировании. Маленький лабораторный купол и полноценное жилое сооружение предъявляют совершенно разные требования к устойчивости, герметичности и долговечности.
Тем не менее работа показывает принципиальную возможность объединить местное минеральное сырьё, биологические системы и аддитивное производство для создания строительных материалов в условиях другой планеты. Авторы считают, что биотехнологии могут в будущем стать одним из инструментов внеземного строительства наряду с традиционными инженерными методами.
Исследование в журнале Chem Circularity.