Будущая колония на Марсе может выглядеть совсем не так, как в фантастических фильмах. Вместо металлических модулей и герметичных куполов ее здания однажды будут буквально выращиваться и печататься из местных материалов — причем в состав строительной смеси войдут даже живые микроорганизмы.
Исследователи из Гонконга разработали необычный материал для 3D-печати, основу которого составляет измельченная марсианская порода. В качестве связующего используются желатин и генетически модифицированные дрожжи. Получившийся материал можно формировать без нагревания, а после высушивания его прочность на сжатие достигает 10–12 МПа — показателя, сопоставимого с бетоном невысокой прочности.
Пока речь идет лишь о небольших лабораторных образцах и экспериментах с имитацией марсианской среды. Но сама идея может оказаться важной для будущего строительства за пределами Земли.
Почему дома на Марсе нельзя просто построить из земных материалов
Строительство на Марсе сталкивается с проблемой, которой практически нет на Земле: доставлять туда каждую тонну строительных материалов чрезвычайно дорого.
Поэтому инженеры рассматривают концепцию ISRU (In-Situ Resource Utilization) — использования ресурсов непосредственно на месте. Проще говоря, вместо того чтобы везти кирпичи, цемент и другие материалы с Земли, предполагается брать сырье из окружающей среды и превращать его в строительные конструкции уже на Марсе.
Это особенно актуально из-за суровых условий Красной планеты. Атмосфера Марса примерно в 100 раз разреженнее земной, температура может опускаться до экстремально низких значений, а поверхность постоянно подвергается воздействию радиации. В практически вакуумной атмосфере некоторые земные пластики, композиты, герметики и смазочные материалы быстро выделяют летучие вещества и деградируют. Ультрафиолетовое излучение разрушает органические полимеры, а резкие температурные перепады создают сильные механические напряжения в материалах.
Есть и другая проблема. Обычный бетон требует воды, а на Марсе вода — далеко не тот ресурс, которым можно распоряжаться без ограничений. Даже если удастся добыть лед или воду из грунта, ее использование в традиционном строительстве потребует дополнительной инфраструктуры.
Поэтому исследователи ищут материалы, которые можно производить из марсианского реголита — рыхлого слоя пыли и раздробленной породы, покрывающего поверхность планеты.
Как работает необычный строительный материал
Новая разработка ученых из Гонконга использует относительно простую на первый взгляд комбинацию: песок, полученный из измельченной марсианской породы, желатин и специально модифицированные дрожжи.
Желатин выполняет роль связующего материала. Он помогает удерживать частицы породы вместе и одновременно создает среду, в которой могут развиваться дрожжевые клетки.
Но зачем вообще добавлять в строительную смесь живые организмы?
Здесь и заключается одна из самых необычных особенностей технологии. Дрожжи были генетически модифицированы таким образом, чтобы на их поверхности находились белки с высокой адгезией — способностью прочно сцепляться с другими материалами. Благодаря этому клетки помогают формировать и укреплять структуру материала.
Полученную смесь подают через сопло 3D-принтера, постепенно создавая конструкцию слой за слоем. Никакой печи при этом не требуется.
На поверхности Марса материал должен высыхать практически естественным образом: вода испаряется, а в структуре остаются микроскопические поры. В результате формируется легкий пористый материал, способный выдерживать значительные нагрузки.
Марсианский «кирпич» напечатали при −30 °C
Чтобы проверить, насколько жизнеспособна концепция, ученые провели эксперименты в условиях, имитирующих марсианские.
Температуру снизили до −30 °C, а давление — примерно до 0,01 атмосферы. В таких условиях исследователи напечатали небольшие куполообразные конструкции размером примерно с винную пробку: высотой 45 мм и шириной 30 мм.
После затвердевания образцы выдерживали давление от 10 до 12 МПа. Для сравнения, это примерно соответствует бетону невысокой прочности.
Джишен Цю (Jishen Qiu), старший автор исследования и специалист по строительной инженерии из Гонконгского университета науки и технологий, отмечает, что такой материал теоретически способен выдерживать нагрузку здания в один-два этажа даже при земной гравитации. На Марсе сила тяжести примерно в 2,6 раза меньше земной, поэтому при одинаковой конструкции нагрузка на стены будет значительно ниже.
Именно поэтому исследователи предполагают, что на Красной планете из подобного материала потенциально можно будет возводить даже многоэтажные сооружения.
Главная особенность — материал можно переработать
У новой технологии есть еще одно интересное свойство: строительный материал потенциально можно перерабатывать и выращивать заново.
Если разобрать конструкцию, дрожжевые клетки можно извлечь и снова культивировать в биореакторах. Затем их можно использовать для производства новой порции строительного материала.
Это превращает обычную концепцию 3D-печати в нечто большее. Вместо одноразового расходного материала появляется своеобразная биологическая система замкнутого цикла: построили конструкцию, разобрали ее, переработали компоненты и снова получили строительное сырье.
Подобный подход особенно ценен для автономной колонии, где каждая поставка с Земли обходится дорого, а количество доступных ресурсов ограничено.
Это не первый «марсианский бетон»
Гонконгская разработка — лишь один из вариантов строительства из местных ресурсов Марса.
Ранее исследователи предлагали материал StarCrete, в котором марсианский реголит связывается картофельным крахмалом и небольшим количеством соли. Получившийся материал демонстрировал прочность около 72 МПа и также отличался возможностью переработки.
Были и более экзотические варианты. Например, ученые Манчестерского университета разработали так называемый AstroCrete — материал на основе марсианского грунта и белков человеческого организма. В качестве связующего рассматривались компоненты крови, а мочевина из мочи, пота и слез могла значительно повышать прочность материала.
Общий принцип у всех этих проектов один: будущим колонистам придется максимально использовать то, что уже есть на другой планете.
До настоящих марсианских домов еще далеко
Несмотря на впечатляющие результаты, до строительства настоящего жилого здания на Марсе пока очень далеко.
Во-первых, экспериментальные конструкции были крошечными. Купол высотой всего 45 мм нельзя напрямую сравнивать с полноценным жилым зданием.
Во-вторых, исследователи пока не знают, смогут ли живые дрожжи длительное время сохраняться в реальных марсианских условиях. Кроме того, далеко не все компоненты материала можно получить на Марсе. Желатин и необходимые для модификации дрожжей технологии придется доставлять с Земли — по крайней мере на ранних этапах освоения планеты.
А это возвращает нас к исходной проблеме. Даже если стены можно печатать из марсианского грунта, на Марс все равно придется доставить оборудование, биореакторы, исходные биологические культуры и другие необходимые компоненты. Речь может идти о сотнях тонн грузов.
Тем не менее постепенное сокращение зависимости от земных поставок может стать одним из ключевых условий создания действительно автономной колонии.
Марсианская архитектура будущего, вероятно, будет сильно отличаться от земной. Здесь не получится просто привезти строительную технику, грузовики с цементом и начать возводить дома привычным способом.
Гораздо реалистичнее выглядит комбинация роботизированного строительства, 3D-печати и переработки местных ресурсов. Если при этом удастся использовать биологические процессы, строительная система станет еще более автономной.
Пока «дома из марсианской грязи» существуют только в лаборатории. Но эксперимент показывает интересное направление: однажды строительный материал для первой постоянной базы на Марсе может находиться буквально под ногами будущих колонистов. А часть того, что потребуется для его изготовления, возможно, придется не добывать, а выращивать.
