Свежий биоматериал, созданный на базе дрожжей, применяет морозную атмосферу Марса для вакуумной сушки при печати обитаемых конструкций.
Евгения Васильева
Живой строительный материал можно напечатать на 3D-принтере в условиях, имитирующих марсианские, при температуре –30 °C и давлении 0,01 атм (слева). При микроскопическом рассмотрении видна пористая структура материала с полимерами и модифицированными дрожжами, выделенными желтым (справа). Источник: Нин Лю
Если человечеству когда-либо суждено возвести жилище на Красной планете, дрожжи вполне могут стать ключевым элементом в перечне снаряжения. К такому заключению пришло недавнее исследование, где специалисты представили новый биологический подход к созданию жилых блоков с помощью 3D-печати в марсианских условиях.
Ученые из Гонконгского университета науки и технологий предложили разлагаемый строительный состав, пригодный для трехмерной печати и применения при возведении объектов на Марсе.
Рецептура биостроительства для марсианских объектов
Строительство на Марсе сопряжено с серьезными сложностями. Разреженная атмосфера, губительная радиация и экстремальный холод делают этот процесс крайне трудным. Доставка массивных материалов, например, металла или бетона, через космическое пространство на огромные расстояния оказывается экономически неоправданной.
Раньше большинство идей сводилось к переплавке марсианского грунта в блоки при очень высоких температурах. Однако такой подход требует значительных энергозатрат, которых первым колонистам будет остро не хватать.
Инженер Цю Цзишен вместе с коллегами решил проверить, возможно ли использовать суровые климатические условия планеты как преимущество, а не бороться с ними.
В отличие от методов, требующих плавления пород при температурах свыше тысячи градусов, вакуумная сушка при отрицательных температурах не требует нагревательных элементов, что критически важно для выживания колонистов. Вместо этого можно использовать естественный холод Марса, который в некоторых регионах достигает минус ста градусов по Цельсию, а также тепло, генерируемое при работе биореакторов. Это делает технологию пригодной для применения в автономных условиях, где каждый киловатт-час энергии на счету.
«Меня вдохновили сублимированные ягоды, которые после обработки остаются твердыми», — поясняет ведущий автор работы Цю.
Марс функционирует как природная установка для лиофилизации. Сочетание минусовых температур и очень низкого давления заставляет лед переходить сразу в пар, минуя жидкую фазу.
Цю разработал печатный состав из песка, связанного биоклеем на основе желатина и генетически измененных дрожжей. Дрожжевые клетки покрыли адгезивными белками, взятыми у морских моллюсков. Желатин удерживает смесь и обеспечивает питание для микроорганизмов, а песок придает конструкции прочность.
В ходе печати в условиях, повторяющих марсианские, холодный вакуум быстро удаляет влагу из смеси. Лед испаряется, оставляя за собой легкую пористую структуру.
Дальнейшие исследования
Сейчас группа создает небольшие куполообразные образцы, размер которых сопоставим с винной пробкой. Несмотря на малые габариты, такие изделия показывают прочность, близкую к бетону низкой марки. Эксперименты показали, что материал выдерживает сжатие в диапазоне от 10 до 12 мегапаскалей.
«Это означает, что из него реально построить одно- или двухэтажное сооружение на Земле, где гравитация втрое выше марсианской, — утверждает Цю. — Поэтому на Марсе с таким материалом можно возводить даже многоэтажные конструкции».
Дальнейшие шаги исследовательской группы будут направлены на масштабирование процесса и проверку его устойчивости в условиях, максимально приближенных к реальным марсианским. Планируется серия экспериментов в вакуумных камерах, где будет моделироваться не только давление и температура, но и состав атмосферы, включая высокую концентрацию углекислого газа и наличие пылевых частиц.
Особое внимание уделят тому, как дрожжи поведут себя при длительном воздействии ионизирующего излучения, которое на Марсе значительно интенсивнее земного. Если биоклей сохранит свои свойства в течение нескольких месяцев, это станет весомым аргументом в пользу его использования для строительства долговременных баз.
Параллельно с этим ученые работают над оптимизацией рецептуры, чтобы снизить долю желатина, который придется везти с Земли. В перспективе его можно заменить на биополимеры, синтезируемые самими дрожжами из местного сырья, например, из солей и воды, добываемой из грунта.
Это позволит превратить процесс в замкнутый цикл, где строительный материал создается непосредственно на месте, а не доставляется в готовом виде. Такой подход радикально сократит массу грузов, необходимых для первых экспедиций, и сделает колонизацию менее зависимой от постоянных поставок с Земли.
Если испытания пройдут успешно, следующим этапом станет создание полноразмерного прототипа жилого модуля. Его конструкция будет напоминать многослойный «кокон», где внешняя оболочка из песчано-дрожжевой смеси защищает от радиации, а внутренние перегородки формируются по мере необходимости.
Такой подход позволяет адаптировать здание под меняющиеся потребности экипажа, будь то лаборатория, склад или жилое помещение.
При этом демонтаж и повторная переработка материала станут естественным продолжением жизненного цикла объекта, что полностью исключает образование строительного мусора, столь характерного для земных технологий.
Пока рано делать окончательные выводы
Множество космических строительных проектов ориентировано на плавление местных пород для создания кирпичей, что требует колоссальных энергоресурсов. Данный биологический метод исключает необходимость высокотемпературной обработки и предлагает экологичный вариант.
После того как здание перестает быть нужным, поселенцы могут разобрать его, собрать активные дрожжевые клетки и культивировать их заново в биореакторах.
Однако остается ряд нерешенных вопросов. Исследователям предстоит доказать, что дрожжи способны выдерживать реальную радиацию Марса и влияние его атмосферы. На стартовом этапе также потребуется доставить сотни тонн исходных материалов с Земли, пока местное производство не выйдет на нужный уровень. Тем не менее базовые исследования активно продолжаются.
«Я постоянно думаю: существует ли какой-то закон физики или основополагающий принцип, который не дает нам осуществить это? — говорит Цю. — Пока я такого не обнаружил. Мы полагаем, что сможем нарастить производство. Меня бы удивило, если бы материалы для будущей марсианской инфраструктуры не оказались столь же разнообразными, как земные аналоги, и биология наверняка сыграет здесь свою роль».
Судя по всему, биология способна стать опорой для существования вне Земли. Дрожжи представляют собой одноклеточные грибы, а их нитевидные сородичи — грибы — играют важную роль в проекте Mycotecture Off-Planet, который реализуется в исследовательском центре НАСА имени Эймса.
Там ученые выращивают мицелий вокруг имитаторов марсианской почвы и органических отходов. После термической обработки и герметизации эти выращенные структуры превращаются в легкие, огнеупорные и радиационно-стойкие элементы для строительства.Результаты работы были обнародованы в журнале Chem Circularity 10 сентября.
В долгосрочной перспективе подобные биологические методы могут найти применение и за пределами Марса. Например, в условиях лунных баз или при создании обитаемых станций на астероидах, где также присутствуют вакуум и низкие температуры.
Однако, как подчеркивает Цю, ключевым фактором остается доказательство надежности в реальных условиях, а не только в лабораторных установках. Пока же исследование демонстрирует, что природа, при должном к ней подходе, способна предложить решения, которые инженерная мысль зачастую упускает из виду.
