Биокомпозит на основе дрожжей — низкоэнергетический путь к марсианским городам

Введение

Создание человеческой цивилизации на Марсе представляет собой монументальную задачу, намного превосходящую любую земную миграцию. В отличие от Земли, где ресурсы изобильны и адаптивны, Марс требует новаторских решений для выживания и строительства. Преобладающее видение марсианских городов включало в себя огромные промышленные машины и высокоэнергетические процессы, такие как спекание, требующие температур свыше 1800 градусов по Фаренгейту и значительной выработки энергии, часто от ядерных реакторов или массивных солнечных массивов. Однако новаторское исследование, опубликованное в Chem Circularity, представляет радикальную, низкоэнергетическую альтернативу: биокомпозитный материал, который использует генно-модифицированные дрожжи и саму марсианскую среду для 3D-печати жилищ.

Ключевые детали

Новый материал: Исследователи под руководством Цзишэнь Цю из Гонконгского университета науки и технологий создали «марсианский живой строительный материал», смешивая марсианский песок с водорастворимым связующим веществом.
Состав связующего: Связующее состоит из желатина животного происхождения (свиного) и генно-модифицированных дрожжей, разработанных для повышения адгезии и структурной целостности.
Самозамораживание и сушка: При экструзии в смоделированных марсианских условиях (средняя температура -85°F и тонкая атмосфера) материал автоматически замерзает и обезвоживается, устраняя необходимость внешнего нагрева.
Конкурентная прочность: Полученный биокомпозит обладает средней прочностью на сжатие 12 мегапаскалей и прочностью на изгиб 6 мегапаскалей, что сопоставимо с легким бетоном. Его высокая прочность на изгиб имеет решающее значение для защиты от повреждений марсианскими песчаными бурями.
Низкое энергопотребление: Производство 1 кубического метра этого материала требует значительно меньше энергии, чем спекание, используя менее часа стандартной солнечной энергии по сравнению с днями непрерывного нагрева.
Перерабатываемость: Материал полностью перерабатывается. Измельченные кирпичи могут быть переработаны в пасту и напечатаны в новые блоки как минимум в течение четырех поколений без потери прочности или жесткости, при этом дрожжи остаются жизнеспособными.

Предыстория

Концепция строительства на Марсе долгое время была доминирована ресурсоемкими методами. Спекание, одно из ведущих предложений, включает плавление марсианского реголита с использованием лазеров, микроволн или солнечных печей. Этот процесс энергетически непомерно дорог, требуя экстремальных температур и длительного электроснабжения. Кроме того, получаемый керамический материал хрупкий и трудно поддается ремонту или переработке. Альтернативные идеи, такие как рытье под землей или в горах, также требуют тяжелой техники и значительных энергозатрат, что делает их непрактичными для первоначальных усилий по колонизации. Потребность в более доступном, экономичном и устойчивом методе строительства была очевидна.

Анализ воздействия

Этот биокомпозит на основе дрожжей предлагает смену парадигмы во внеземном строительстве. Его главное преимущество заключается в значительном снижении энергопотребления. Используя низкие температуры Марса для отверждения, устраняется необходимость в мощных системах отопления. Это делает строительство возможным при использовании скромной солнечной энергии, что является критически важным фактором для ранних марсианских поселений, где мощность производства энергии будет ограничена. Прочность материала, особенно его устойчивость к изгибу, делает его пригодным для выживания в суровых марсианских условиях, включая песчаные бури высокой скорости. Более того, его полная перерабатываемость решает проблемы устойчивости, позволяя повторно использовать строительные материалы и уменьшая потребность в постоянных поставках с Земли.

«Заменяя массивную тепловую энергию программируемой клеточной биологией, будущие исследователи смогут строить постоянные убежища, используя не более чем грязь, лед и пробирку с живыми организмами».

Более широкий контекст

Инновация основана на генной инженерии, превращающей обычные пекарские дрожжи в микроскопических строительных рабочих. Клетки дрожжей модифицированы специфическими белками: AGA2 для прикрепления к песчинкам, белки мускусной ноги для адгезии и система SpyTag/SpyCatcher для создания прочных межклеточных связей. При смешивании с желатином и экструзии смесь подвергается воздействию холода Марса, вызывая контролируемое образование кристаллов льда, которые создают пористую, легкую структуру. Сублимация льда в тонкой марсианской атмосфере оставляет стабильный, губчатый каркас. Этот подход соответствует растущей области синтетической биологии, применяя биологические решения к инженерным задачам. Он также затрагивает более широкую дискуссию об использовании местных ресурсов (ISRU), краеугольном камне устойчивого освоения космоса, путем использования легкодоступных марсианских материалов.

Перспективы

Прежде чем эта технология сможет быть реализована на Марсе, предстоит преодолеть ряд препятствий. Текущая высокоэффективная формула зависит от свиного желатина, импортируемого с Земли, что требует дальнейших исследований, чтобы дрожжи могли самостоятельно синтезировать весь структурный каркас. Управление водными ресурсами является еще одной проблемой; хотя материал отверждается путем замораживания-сушки, потеря водяного пара в тонкую марсианскую атмосферу может быть проблематичной. Ограждение процесса печати в воздушном куполе может смягчить это, улавливая и перерабатывая влагу. Возможно, самой значительной проблемой является планетарная защита. Генно-модифицированные дрожжи, жизнеспособные после замораживания-сушки, могут потенциально загрязнить марсианскую среду, что противоречит международным мандатам. Однако исследователи утверждают, что само присутствие человека неизбежно приведет к появлению земных микробов. Наконец, необходимо оценить долгосрочное воздействие марсианской космической радиации на жизнеспособность дрожжей и структурную целостность, хотя команда уверена, что генная инженерия может решить эту проблему. Несмотря на эти трудности, исследование открывает путь к будущему, где марсианские жилища будут строиться не тяжелой техникой, а с помощью биологии и местных ресурсов.

Заключение

Разработка биокомпозита на основе дрожжей представляет собой значительный шаг вперед в стремлении построить марсианские города. Предлагая низкоэнергетический, высокопрочный и перерабатываемый строительный материал, этот подход обходит непомерные энергетические затраты и хрупкость, связанные с традиционными методами, такими как спекание. Хотя проблемы, связанные с независимостью материалов, сохранением воды и планетарной защитой, должны быть решены, основной принцип — использование программируемой биологии для строительства жилищ из местной марсианской грязи и льда — является убедительным видением будущей колонизации. Это новшество подчеркивает потенциал синтетической биологии для решения сложных инженерных задач и значительного снижения стоимости и сложности создания устойчивого человеческого присутствия за пределами Земли.