Chleb, drożdże i mróz z Marsa jako przepis na dom dla kosmicznych osadników

Czerwona Planeta zazwyczaj kojarzy się budowniczym z samymi utrudnieniami: skrajny chłód, warunki bliskie próżni, silne promieniowanie i całkowity brak lokalnej fabryki materiałów. Grupa badaczy z Hongkongu znalazła jednak sposób, by te przeciwności zamienić na przewagę – stworzyli kompozyt z drożdży, żelatyny i mineralnego kruszywa, gotowy do druku 3D, w którym niska temperatura i rozrzedzona atmosfera Marsa same wykonują pracę suszenia i utwardzania.

Marsjańskie warunki jako sprzymierzeniec, nie przeszkoda

Cała koncepcja naukowców z Hong Kong University of Science and Technology zrodziła się z obserwacji dobrze znanej z ziemskiej kuchni. Żywność liofilizowana traci wodę w niskiej temperaturze i pod zmniejszonym ciśnieniem, dzięki czemu staje się jednocześnie lekka i twarda. Okazuje się, że Mars naturalnie zapewnia zbliżone parametry, i to bez żadnych kosztów energetycznych.

Zespół stworzył mieszankę przeznaczoną do druku przestrzennego, którą następnie testowano w temperaturze rzędu -30 st. C oraz przy ciśnieniu 0,01 atmosfery. Gdy materiał wychodzi z dyszy drukarki, zawarta w nim woda najpierw zamarza, a potem trafia od razu w stan gazowy, pomijając fazę cieczy. Ten proces to sublimacja – kluczowy krok liofilizacji.

Rezultatem jest lekka, porowata struktura zbliżona w wyglądzie do pianki. Dzięki temu nie trzeba wysyłać na Marsa masywnego pieca do wypału cegieł czy urządzeń topiących regolit w wysokich temperaturach – część procesu produkcyjnego opiera się na warunkach, jakie na planecie panują od zawsze.

Sekret tkwi w zmodyfikowanych genetycznie drożdżach

Sam chłód nie tworzy jeszcze solidnego budulca. Powstały materiał to kompozyt, gdzie mineralne ziarna budują strukturę nośną, a elementy biologiczne działają jak spoiwo. Badacze zastosowali żelatynę i drożdże poddane modyfikacji genetycznej. Powierzchnia komórek drożdży wyposażona jest w silnie przyczepne białka, przypominające te, którymi małże trzymają się skał – ich rolą jest wzmacnianie połączeń między poszczególnymi komponentami materiału.

Żelatyna z kolei stwarza mikrośrodowisko umożliwiające komórkom funkcjonowanie, a przy tym scala ziarna kruszywa. W przyszłości większość mineralnego składnika miałyby stanowić skały czy regolit dostępne bezpośrednio na Marsie. Ma to kolosalne znaczenie, bo każda koncepcja stałej bazy napotyka ten sam problem – im więcej surowca trzeba dostarczyć z Ziemi, tym droższa i bardziej złożona staje się cała misja.

To właśnie z tego powodu rozwijane są koncepcje przetwarzania regolitu na miejscu. Na Księżycu testowane są między innymi techniki spiekania i drukowania konstrukcji z lokalnego pyłu. W opisywanym projekcie zamiast ogromnych dawek ciepła w grę wchodzi biologiczne spoiwo połączone z naturalnymi warunkami planety.

Najbardziej intrygująca wydaje się jednak wytrzymałość gotowego materiału. Odporność na ściskanie osiągnęła poziom około 10-12 MPa, co odpowiada słabszym gatunkom betonu. Nie znaczy to, że wkrótce ktoś wydrukuje na Marsie blok mieszkalny podobny do osiedli z wielkiej płyty, ale dowodzi, że nie mówimy o miękkiej biologicznej pianie, którą da się zgnieść w dłoni. Jak zauważa Jishen Qiu, na Ziemi taki materiał wystarczyłby na niewielkie konstrukcje, natomiast na Marsie dodatkowo pomaga grawitacja odpowiadająca zaledwie około 38 proc. wartości ziemskiej.

taki materiał na Ziemi miałby wystarczającą wytrzymałość dla niewielkich konstrukcji, a na Marsie sytuację dodatkowo ułatwia grawitacja wynosząca około 38 proc. ziemskiej

Jishen Qiu

Obecna skala doświadczeń mocno przypomina jednak, że jesteśmy na wczesnym etapie. Największe wydrukowane demonstracyjnie kopuły miały około 45 mm wysokości i 30 mm szerokości – to wymiary bliższe korkowi od wina niż pomieszczeniu mieszkalnemu dla astronauty.

Między drukiem takiej miniaturowej próbki a wzniesieniem kilkumetrowego habitatu wciąż stoi ogromny zakres pracy inżynierskiej: kontrola jakości surowca, prowadzenie druku w dużej skali, zapewnienie szczelności i izolacji, odporność na promieniowanie oraz gwałtowne skoki temperatury, a także trwałość konstrukcji rozciągnięta na lata.

Budynek, który da się rozłożyć i odtworzyć na nowo

Żywy materiał skrywa jeszcze jeden atut. Twórcy projektu chcą, by nie był to jednorazowy budulec, lecz surowiec, z którego po demontażu konstrukcji odzyska się składniki biologiczne. Teoretycznie wystarczyłaby niewielka porcja żywych komórek drożdży, aby namnożyć je w bioreaktorze i wyprodukować kolejną partię materiału. Zużyty element mógłby zostać rozdrobniony, przetworzony i wrócić do cyklu produkcyjnego.

Takie podejście bliższe jest hodowaniu materiałów niż tradycyjnemu mieszaniu cementu. Podobny kierunek widać już w projektach budynków z grzybni i celulozy bakteryjnej, planowanych dla Marsa i Księżyca. Najnowsza praca wyróżnia się jednak tym, że materiał został realnie wydrukowany i utwardzony w komorze symulującej jednocześnie niską temperaturę i bardzo niskie ciśnienie.

Drożdże zyskują też coraz większą popularność w architekturze ziemskiej. Serwis Spider's Web pisał niedawno o materiale drukowanym w 3D z użyciem drożdży, przeznaczonym do elementów wyposażenia wnętrz. Marsjański projekt idzie jednak znacznie dalej, ponieważ tutaj żywe organizmy mają współtworzyć sam materiał konstrukcyjny budynku.

Źródło: Spider's Web