Potencjalną odpowiedź na to wyzwanie opracowują badacze z Politechniki Mediolańskiej. Zamiast pakować na rakiety ciężki beton, proponują wykorzystać to, co jest już na miejscu, a przy tym pomóc sobie mikroskopijnymi sojusznikami. Ich koncepcja systemu biocementacji zakłada przekształcenie marsjańskiego pyłu, czyli regolitu, w trwały materiał budowlany, przy okazji generując cenny tlen. Publikacja z 2 grudnia w czasopiśmie Frontiers in Microbiology rzuca światło na to, jak mikroorganizmy mogą stać się fundamentem kolonizacji.
Marsjańskie osiedla z pyłu, mikrobów i odpadów załogi zamiast betonu i stali
Jeżeli na Marsie rzeczywiście pojawi się kiedyś stała baza, to jej największym problemem nie będzie brak rakiet ani komputerów pokładowych, ale coś znacznie bardziej przyziemnego: materiały budowlane. Możemy zaprojektować kapsuły, kombinezony i systemy podtrzymywania życia, ale nie uciekniemy od podstawowego pytania. Tego, gdzie ulokować ludzi, aby nie zabiło ich promieniowanie, pył i skrajne różnice temperatur. Wożenie gotowych modułów z Ziemi działa przy kilku krótkich misjach, lecz przy próbie zbudowania prawdziwej osady natychmiast ujawnia się brutalna matematyka kosztów.
Mars nie jest bowiem w żadnym razie gościnnym miejscem. Temperatury potrafią spaść do minus 90 stopni Celsjusza, a atmosfera, złożona głównie z dwutlenku węgla, jest niezwykle rzadka, przez co ciśnienie jest bliskie próżni. Brak globalnego pola magnetycznego oznacza stałe bombardowanie promieniowaniem kosmicznym i słonecznym. W takich warunkach każda ludzka siedziba musi być niezwykle wytrzymała i maksymalnie samowystarczalna.
Nic dziwnego, że NASA od lat prowadzi zaawansowane prace nad technologiami budowlanymi dla misji kosmicznych. Przykładem był konkurs na drukowane w 3D habitaty, który zakończył się kilka lat temu. Problem polega na tym, że większość tych koncepcji wciąż wymaga dostarczenia sporej ilości sprzętu lub surowców z naszej planety. Generuje to astronomiczne koszty i poważne ograniczenia masy. Dlatego od dawna poszukiwane są sposoby na wykorzystanie lokalnych zasobów.
Dwie bakterie w roli głównej. Jak mikroby mogą stworzyć marsjański beton
Włoski zespół postawił na proces biomineralizacji, naturalny mechanizm kształtujący skały na Ziemi od miliardów lat. Sercem ich systemu jest współpraca dwóch mikroorganizmów: sinicy Chroococcidiopsis oraz bakterii Sporosarcina pasteurii. To połączenie nie jest przypadkowe, bo w praktyce każdy z tych drobnoustrojów ma do odegrania ściśle określoną rolę.
Czytaj też: Bateria, która oczyszcza wodę i produkuje energię. Japończycy znaleźli sposób na walkę z eutrofizacją
Chroococcidiopsis to ekstremofil, który potrafi przetrwać w warunkach zabójczych dla większości życia. Ta sinica wytrzymuje silne promieniowanie UV i jonizujące, a jej wysuszone biofilmy przetrwały w próżni kosmicznej przez 672 dni na zewnątrz Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, a po nawodnieniu wróciły do życia. W marsjańskim bioreaktorze pełni podwójną funkcję – poprzez fotosyntezę produkuje tlen, a jednocześnie tworzy ochronne środowisko dla swojego partnera, który przyjmuje rolę głównego budowniczego.
Sporosarcina pasteurii to bakteria wydzielająca enzym ureazę, który rozkłada mocznik. W wyniku tej reakcji powstają jony węglanowe, łączące się z dostępnym wapniem i krystalizujące jako węglan wapnia, czyli naturalne spoiwo. Ten proces, nazywany mikrobialnie indukowaną precypitacją węglanu wapnia, skutecznie skleja cząstki regolitu w twardy, betonopodobny blok. Co ciekawe, kluczowym źródłem składników odżywczych dla całego systemu mógłby być… mocznik i jony wapnia pochodzące z odpadów astronautów, tworząc tym samym zamknięty obieg.
Jedną z największych przewag biocementacji nad innymi metodami jest jej niska energochłonność. Wyprodukowanie tony węglanu wapnia tą drogą wymaga zaledwie 29,3 megadżuli energii, a konwencjonalne spiekanie termiczne regolitu pochłania około 1372 megadżuli na tę samą masę, czyli prawie pięćdziesiąt razy więcej. Ta różnica ma kolosalne znaczenie w środowisku o ograniczonych zasobach energetycznych, jakim jest Mars.
Nie od razu habitat na Marsie zbudowano
W praktyce taki system biocementacji należałoby potraktować jak niewielką fabrykę materiałów budowlanych, pracującą powoli, ale nieprzerwanie w tle. Zanim na Marsie wylądowaliby pierwsi ludzie, automatyczne lądowniki mogłyby dostarczyć moduły bioreaktorów, roboty zbierające regolit i instalacje zasilania. W pierwszej fazie to właśnie maszyny, a nie astronauci, zajmowałyby się karmieniem mikroorganizmów pyłem, wodą i odpadami. Z czasem wokół takich “biokopalń” zaczęłyby rosnąć pierwsze bloki biocementu, płyty i elementy konstrukcyjne, które stałyby się gotowe do zmontowania w osłony przeciwpromienne i ściany habitatów.
Warto przy tym pamiętać, że marsjańskie budownictwo nie będzie przypominało prostego kopiowania ziemskich rozwiązań. Konstrukcje wznoszone z biocementu opartego na regolicie prawdopodobnie zostaną od początku zaprojektowane tak, by wykorzystać specyfikę lokalnych warunków: niską grawitację, cienką atmosferę i wszechobecny pył. Grube, sklepione struktury, częściowo zagłębione w gruncie lub zasypane materiałem, lepiej ochronią przed promieniowaniem niż cienkie moduły z lekkich stopów. Biocement może z kolei pełnić funkcję warstwy zewnętrznej, ściśle współpracującej z elastyczną, hermetyczną powłoką ciśnieniową utrzymującą ziemskie warunki wewnątrz.
Czytaj też: Prehistoryczne lustra wykonane z obsydianu. Bliskowschodnie odkrycie ujawnia sekrety dawnych mieszkańców
Na tle innych propozycji wykorzystania zasobów miejscowych, takich jak spiekanie regolitu skoncentrowanym światłem słonecznym, wytapianie go w bloki szklistej masy czy tworzenie kompozytów z siatką z włókien bazaltowych, podejście mikrobiologiczne wyróżnia się przede wszystkim możliwością zbudowania obiegu materiałów. Raz uruchomiony ekosystem nie tylko wytwarza cegły, ale również dostarcza tlenu i związków przydatnych w uprawach. Tlen generowany przez sinice mógłby być bezpośrednio wykorzystywany w systemach podtrzymywania życia, zmniejszając zapotrzebowanie na energochłonną elektrolizę wody. Powstający w reakcji amoniak mógłby z kolei posłużyć jako nawóz w marsjańskich uprawach hydroponicznych.
Taka wizja zamkniętego, samopodtrzymującego się cyklu, gdzie odpady z jednego procesu zasilają kolejny, jest kluczem do długoterminowej obecności człowieka na obcej planecie. Co więcej, cały proces mógłby być zautomatyzowany przez roboty i drukarki 3D, które przygotowałyby fundamenty pod habitat jeszcze przed przybyciem załogi.
Czekając na prawdziwy marsjański piasek. Wyzwania stojące przed technologią biocementacji
Nawet jeśli wizja marsjańskich osiedli zbudowanych przez mikroorganizmy działa na wyobraźnię, to tempo jej realizacji prawdopodobnie będzie bardzo wolne. Zanim ktokolwiek zdecyduje się uruchomić bioreaktory w prawdziwym regolicie, trzeba będzie odpowiedzieć na cały zestaw pytań, nie tylko technicznych. W grę wchodzą choćby kwestie ochrony planetarnej i ryzyko trwałego zaszczepienia Marsa ziemskimi mikrobami. To, co z perspektywy inżyniera wygląda jak praktyczne rozwiązanie problemu budowlanego, z punktu widzenia astrobiologii jest potencjalną ingerencją w obcy świat, którą trudno będzie odwrócić.
Czytaj też: Ten hybrydowy materiał może odmienić obliczenia fotoniczne. Fascynująca struktura
Pomimo obiecujących założeń, koncepcja wciąż znajduje się w fazie badań laboratoryjnych, które napotykają ziemskie ograniczenia. Dotychczasowe testy przeprowadzono wyłącznie na symulantach regolitu, czyli materiałach imitujących marsjański grunt. Prawdziwa próbka z Marsa ma dopiero dotrzeć na Ziemię w ramach opóźnionej misji Mars Sample Return. Na ten moment istnieją też inne niewiadome. Zawartość tlenku wapnia w marsjańskim regolicie jest szacowana na zaledwie 5,7-6,9 procent, podczas gdy ziemski cement portlandzki potrzebuje go dziesięć razy więcej. Nie wiadomo zatem, czy bakterie poradzą sobie z tak ograniczonym dostępem do kluczowego składnika.
Idąc dalej, wpływ obniżonej grawitacji marsjańskiej na metabolizm mikroorganizmów i sam proces krystalizacji również pozostaje niezbadany. Kolejnym otwartym pytaniem jest długoterminowa stabilność całego ekosystemu bakterii w zmiennych i ekstremalnych warunkach temperaturowych panujących na planecie. Pigment scytonemina, którym Chroococcidiopsis blokuje nawet 90 procent promieniowania UV, może nie wystarczyć do pełnej ochrony. Brakuje również ustandaryzowanych metod testowania, co utrudnia porównywanie wyników różnych zespołów badawczych. Jednak mimo tych wyzwań, sam pomysł wykorzystania bakterii do budowy marsjańskich domów otwiera niezwykle intrygującą ścieżkę rozwoju. Zamiast zmagać się z wrogim środowiskiem, można spróbować wykorzystać procesy, które przed miliardami lat pomogły ukształtować życie na Ziemi.
