Строительство обитаемых баз на Марсе вызовет огромные трудности. Доставка традиционных материалов с Земли обходится слишком дорого из-за ограничений по весу ракет. Поэтому инженерам приходится рассчитывать на местные ресурсы, в первую очередь на каменистый реголит.
Ранее ученые предлагали плавить марсианскую пыль или запекать ее в кирпичи при температуре выше 1000 °С. Это требует громоздкого оборудования и колоссальных затрат энергии, которой на другой планете почти нет. Нужны были альтернативные способы возведения конструкций в условиях холода.
Биологи давно пытались приспособить для этого живые организмы. Микробы могут работать как микроскопические фабрики и склеивать породу при низких температурах. До сих пор никто точно не проверял, сможет ли смесь затвердеть и не потерять прочность в марсианском холоде и при крайне низком давлении.
Команда биологов и инженеров решила создать биобетон из имитации марсианского грунта без сильного нагрева. Результаты исследования опубликовали в журнале Chem Circularity.
Ученые смешали песок с жидким клеем из свиного желатина и генетически модифицированных пекарских дрожжей. Последние специально запрограммировали на выделение липких белков, структурно похожих на те, что помогают морским мидиям намертво цепляться за скалы.
Затем исследователи поместили смесь в вакуумную камеру и выдавили ее через сопло 3D-принтера. Установка имитировала климат чужой планеты: давление составляло одну сотую атмосферы, а температура опускалась до -30 °С. Вода в свежей смеси замерзала и сразу переходила в пар, минуя стадию жидкости. В итоге материал превращался в жесткую пористую структуру.
Физические тесты доказали высокие механические свойства небольших напечатанных блоков. Сухой материал выдержал давление от 10 до 12 мегапаскалей, что сопоставимо с обычным бетоном. Математическая модель показала: на формирование одного кубического метра такого биоматериала уходит от 0,02 до 0,12 гигаджоуля тепловой энергии. Это в десятки раз меньше показателей традиционных печей для запекания пыли.
Ученые также раздробили напечатанные блоки под прессом и снова смешали обломки с водой. Дрожжи внутри затвердевшего песка не погибли от холода и вакуума, а лишь впали в спячку. Как только в пыль добавили воду, микроорганизмы проснулись и снова выделили клей. Благодаря этому материал прошел четыре цикла переработки без потери прочности. Однако неясно, как долго они смогут оставаться живыми под воздействием жесткой марсианской радиации и многолетних перепадов температур.
Авторы научной работы сделали вывод, что биологическая 3D-печать хорошо работает при низком давлении и холоде. При этом смесь нуждалась в животном желатине и питании для микробов с Земли. Кроме того, материал получился пористым: он не сможет удерживать кислород и атмосферное давление внутри гипотетического дома, придется встраивать в стены герметичные мембраны.
Исследователи продемонстрировали необычный путь возведения конструкций в экстремальном холоде и вакууме. Грибки и животный белок успешно заменили энергозатратные печи. Далее инженеры планируют полностью убрать животные компоненты и полагаться только на микроорганизмы.