Materiał na marsjańskie domy? Naukowcy z Hongkongu stawiają na drożdże i mróz

Zespół badawczy z Uniwersytetu Nauki i Technologii w Hongkongu opracował koncepcję materiału budowlanego, w którym warunki uznawane zwykle za przeszkodę - mróz i bardzo niskie ciśnienie - odgrywają kluczową rolę w procesie utwardzania. Receptura opiera się na wymieszaniu mineralnych ziaren z biologicznym spoiwem, a następnie wykorzystaniu zimna oraz podciśnienia do odprowadzenia wody z mieszanki. Opis eksperymentu trafił do czasopisma Chem Circularity, choć na tym etapie mamy do czynienia jedynie z demonstratorem technologii - pozwalającym ocenić samą receptę i sprawdzić, czy da się z niej drukować niewielkie struktury.

Piasek i drożdże w roli budowniczych

Sypki surowiec, podobny do piasku, dostarcza masy i szkieletu konstrukcji, lecz by utrzymał formę w warunkach marsjańskich, potrzebuje skutecznego kleju. Na Czerwonej Planecie nie da się liczyć na zwykłe kleje budowlane - proces łączenia elementów jest tam znacznie bardziej skomplikowany. W skład mieszanki wchodzą więc odpowiednie proporcje żelatyny oraz specjalnie zmodyfikowanych drożdży, na powierzchni których wytwarzają się silnie klejące białka. Część z tych struktur białkowych naśladuje mechanizmy znane z organizmów takich jak małże, które potrafią przyczepiać się do podwodnych skał. Naturalne wzorce biologiczne po raz kolejny okazały się cennym źródłem inspiracji dla naukowców.

Rola żelatyny jest inna - spaja poszczególne składniki i tworzy środowisko sprzyjające rozwojowi komórek drożdży. Dzięki takiemu podejściu ziarna pobrane z marsjańskiego gruntu mogłyby zastąpić surowce transportowane z Ziemi, a to istotna korzyść, bo przewożenie materiałów budowlanych na inną planetę jest kosztowne i technicznie trudne. W misjach kosmicznych każdy zaoszczędzony kilogram ładunku ma znaczenie.

Autorzy badania sięgnęli po jeszcze jeden naturalny mechanizm. Owoce po liofilizacji stają się znacznie twardsze - proces ten polega na suszeniu zamrożonego materiału w warunkach niskiego ciśnienia, podczas którego lód sublimuje, czyli przechodzi bezpośrednio w parę wodną, bez fazy ciekłej. W praktyce wilgotna masa jest wytłaczana przez dyszę drukarki 3D, po czym zamarza i pozbywa się wody. W jej wnętrzu powstają mikroskopijne pory, dzięki czemu finalny materiał przypomina lekką, ale jednocześnie sztywną piankę. Na Ziemi taki efekt wymaga specjalistycznego sprzętu, natomiast na Marsie odpowiednie warunki - mróz i niskie ciśnienie - mogłyby wystąpić naturalnie.

Daleko od wizji szklanych kopuł

Wyobrażenia o marsjańskich osadach kojarzą się często z futurystycznymi, szklanymi konstrukcjami. Rzeczywistość na obecnym etapie badań jest znacznie bardziej skromna. Powstałe dotychczas prototypy mają zaledwie 45 mm wysokości i 30 mm szerokości - to niewielkie próbki, w których zmieściłby się co najwyżej koniuszek małego palca. Testy drukowania przeprowadzono w temperaturze -30 stopni Celsjusza i przy ciśnieniu około 1 kPa, czyli w warunkach odpowiadających około jednej setnej ziemskiego ciśnienia atmosferycznego na poziomie morza. Uzyskany materiał wykazał wytrzymałość na ściskanie w zakresie 10-12 MPa, co jest zbliżone do parametrów betonu niższej klasy. To jednak wyłącznie wskaźnik odporności na zgniatanie - nie mówi on nic o ogólnej wytrzymałości całej konstrukcji budowlanej.

Według badaczy taka wytrzymałość byłaby wystarczająca do wzniesienia na Ziemi budynku jedno- lub dwupiętrowego. W warunkach słabszej grawitacji panującej na Marsie możliwe mogłyby być nawet konstrukcje wielopiętrowe. Mniejszy ciężar własny budowli wynikający z niższej grawitacji nie rozwiązuje jednak wszystkich problemów. Aby materiał okazał się praktycznie użyteczny, konieczne będzie zbadanie szczelności powstałych z niego konstrukcji oraz ich zdolności do ochrony przed promieniowaniem kosmicznym. Obecnie nie ma jeszcze odpowiedzi na pytanie, czy porowata struktura tego tworzywa w ogóle zapewnia taką ochronę - i wiele wskazuje na to, że samodzielnie temu zadaniu nie podoła.

Kwestia energii równie istotna, jak sam materiał

Autorzy badania podkreślają jeszcze jedną zaletę swojego rozwiązania: proces spajania nie wymaga podgrzewania mineralnego surowca do wysokich temperatur. Wiele konkurencyjnych metod budowy na Księżycu czy Marsie opiera się na technikach wyjątkowo energochłonnych. Skoro na Marsie panuje naturalny mróz, można wykorzystać zarówno niskie temperatury, jak i niewielkie ciśnienie otoczenia, by uzyskać trwały materiał bez konieczności zużywania dużych ilości energii na etapie termicznym. Oszczędności te mają duże znaczenie w kontekście problemów, z jakimi wiąże się budowa baz na Marsie, gdzie o energię trzeba będzie zabiegać bardzo intensywnie. Same drukarki oraz procesy podtrzymujące żywotność drożdży również będą wymagały zasilania, ale w znacznie mniejszym stopniu niż generowanie wysokiej temperatury.

Zastosowanie biologicznego spoiwa otwiera też możliwość recyklingu niepotrzebnych już elementów konstrukcji budynku. Odzyskane, wciąż żywe drożdże mogłyby być namnażane w bioreaktorach i wykorzystywane przy kolejnych pracach budowlanych. Nie wiadomo jednak jeszcze, czy zastosowane mikroorganizmy są w stanie przetrwać rzeczywiste warunki panujące na Marsie. Otwarte pozostaje również pytanie, czy technologię druku 3D uda się skalować na tyle, by powstawały z niej całe budynki - może niezbyt estetyczne, przypominające raczej gniazdo os, ale wciąż funkcjonalne domy. W tak nieprzyjaznym środowisku jak marsjańskie, nawet niedoskonałe schronienie jest lepsze niż jego brak.

Źródło: AntyWeb