Рецепт марсианского дома
Большинство проектов марсианских жилищ предполагает нагрев грунта до температуры свыше 1000 градусов по Цельсию, чтобы спекать измельченную породу в прочные блоки. Однако для работы такой печи требуется колоссальное количество энергии, которой на Красной планете на первых этапах не будет. Команда ученых из Гонконгского университета науки и технологий и Гонконгского политехнического университета нашла альтернативное решение и опубликовала свое исследование в Chem Circularity.
Инженеры заменили энергозатратное обжигание использованием смеси из песка, желатина и живых дрожжей. Вместо высокотемпературных печей процесс затвердевания обеспечивает экстремальный марсианский холод за счет сублимации.
Мое вдохновение пришло от сублимированных фруктов, которые становятся более твердыми,
– говорит Цзишен Цю, инженер-строитель из Гонконгского университета науки и технологий.
Как модифицированные дрожжи повышают прочность
Основой строительной смеси является обычный песок, а клейкий слой образуют желатин и клетки пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Ученые генетически модифицировали дрожжи, придав им способность вырабатывать липкие белки, подобные тем, с помощью которых мидии прикрепляются к влажным скалам.
Во время печати смесь выходит из сопла при температуре 37 градусов Цельсия. После этого в специальной камере при температуре минус 30 градусов Цельсия и давлении 0,01 атмосферы вода в материале замерзает и сразу испаряется, минуя жидкую фазу. В результате образуется прочный пористый каркас. Полученные микроскопические полости размером около 5 микрометров существенно уменьшают вес конструкции без потери прочности.
Благодаря белкам модифицированных дрожжей прочность материала на сжатие возросла на 170 процентов по сравнению с аналогами без биологических клеток. В испытаниях материал достиг средней прочности на сжатие в 12 мегапаскалей, что соответствует бетону низкой марки, а прочность на изгиб составила 6 мегапаскалей.
Этого вполне достаточно для строительства одно- или двухэтажного здания на Земле, где гравитация в три раза выше марсианской. Поэтому на Марсе из этого материала можно легко возводить многоэтажные дома,
– добавляет Цзишен Цю.
Преимущества в энергоэффективности и повторное использование
Главным преимуществом нового биоматериала является минимальное энергопотребление. На изготовление одного кубического метра материала расходуется от 0,02 до 0,12 гигаджоулей энергии, что в десятки раз меньше, чем требуется для обжига породы. Солнечная батарея, которой потребовалось бы несколько дней для спекания аналогичного объема марсианского грунта, позволяет изготовить этот материал менее чем за один час.
Кроме того, испытательные блоки успешно прошли четыре цикла переработки: их измельчали, подогревали для растворения желатина и снова замораживали. Даже в кирпичах четвертого поколения прочность сохранилась на уровне 11,8 мегапаскалей, а дрожжи внутри оставались живыми. Исследователи отмечают, что даже если сохранится хотя бы одна живая клетка, дрожжи можно вырастить заново для следующего строительства.
Какие вызовы остаются впереди
Несмотря на впечатляющие результаты, технология имеет определенные ограничения, которые ученым еще предстоит преодолеть. Для изготовления одного кубического метра материала необходимо доставить с Земли около 20 килограммов ингредиентов, в частности желатина. Кроме того, испытания проводились на обычном песке, а не на реальном марсианском реголите, соли которого могут оказаться токсичными для микроорганизмов.
В ближайшее время авторы исследования планируют проверить устойчивость модифицированных дрожжей к космической радиации и поведение материала в расширенной тестовой камере с имитированной пониженной гравитацией Марса.