Материаловеды университета Манчестера решили учесть все доступные будущим поселенцам на Луне и Марсе ресурсы и предложили использовать в качестве строительного материала смешанные с реголитом биологические вещества из человеческого организма. Из моделированного внеземного грунта удалось получить связанные человеческим белком биокомпозиты, поддающиеся 3D-печати. В статье в Materials Today Bio представлено несколько изготовленных таким методом деталей, которые выдержали сжатие более чем на 300 процентов.
Астрономы уже примерно понимают, куда человек мог бы переселиться с Земли. Это могут быть похожие на Землю «каменные» экзопланеты в пригодной для жизни зоне своей звезды. На расстоянии до 10 парсек от Земли может быть несколько таких планет (по некоторым расчётам — по крайней мере четыре). Более реалистичные цели — Луна и Марс. Для долгосрочных пилотируемых полётов или для переезда туда на ПМЖ необходимо обеспечить астронавтов недвижимостью: нужна защита от космического излучения, солнечного ветра и ударов микрометеоритов в условиях, когда магнитосферы и атмосферы планеты для этого недостаточно. Перевозка с Земли строительных материалов и инвентаря обойдётся нереально дорого, что делает такие проекты на сегодня нереализуемыми. Поэтому переселенцам придётся использовать местные ресурсы, в первую очередь — реголит в качестве основного материала для защиты от радиации и метеоров. Но рыхлый марсианский реголит, который представляет собой фактически слежавшуюся пыль, на роль стройматериала подходит плохо. Нужно найти способ стабилизировать его структуру и сделать его устойчивым к эрозии под действием излучения и марсианских ветров скоростью до сотен километров в час. Кроме того, желательно приспособить полученный материал для 3D-печати, которая, весьма вероятно, станет единственным реалистичным способом строительства жилья в этих условиях.
Деталь из биокомпозита на основе «марсианского» реголита, изготовленная методом 3D-печати и её испытания на сжатие. Materials Today Bio (2021).
Реголит легко превратить в аналог бетона: он хорошо соединяется с различными связующими материалами. Но и тут актуальна та же проблема доставки последних. Поэтому планетологи продолжают исследовать внеземную базу материалов для использования в строительстве. Так, недавно сингапурские исследователи добавили в «марсианский» грунт хитозан — вещество, которое можно получить из экзоскелетов насекомых и ракообразных. На 3D-принтере из этого материала удалось напечатать несколько деталей и инструментов, например, макет дома и гаечный ключ. Поскольку в полёт всё равно придётся везти продукты питания для астронавтов, насекомые, кроме источника белка, могли бы стать и строительным материалом.
Однако материаловеды пока что обращали меньше внимания на материалы, которые несут на себе (вернее, в себе) и «изготавливают» сами астронавты и которые по определению будут доступны для любой пилотируемой миссии. На протяжении тысячелетней истории строительства человечество уже использовало в качестве клея смолу деревьев, казеин из сыра и коллаген из копыт животных. Поэтому исследователи решили попробовать «сырьё» из организма человека — буквально «Blood, sweat and tears» («кровь, пот и слёзы» астронавтов), как иронично назвали авторы свою статью, вышедшую в сентябре 2021 года в Materials Today Bio. В качестве материалов использовали сывороточный альбумин, кератин из волос и ногтей, коллаген из кожи, а также мочевину в качестве природного клея, который позволит реголиту наконец получить необходимые конструкционные качества.
Обложка музыкального альбома «Blood, Sweat & Tears» (1969 г.) одноимённой американской рок-группы.
Фразу «Blood, sweat and tears» обычно связывают со знаменитым высказыванием из речи Черчилля 1940 года, хотя она вошла в обиход гораздо раньше. Она была в ходу уже в первой половине XIX века, как минимум она встречается в проповеди уэльского священника того времени, и не исключено, что этот оборот речи ещё старше. Само выражение, вероятно, является отсылкой на фразу из Евангелия в английском переводе Библии Короля Якова 1610 года.
Использовать такое жильё, по мнению исследователей, будет дёшево и безопасно. Обработка и использование человеческих ресурсов не представляет каких-то особых технологических сложностей, наоборот, она может дополнить экосистему будущей внеземной колонии. Смешав в лаборатории имитацию реголита с альбумином, кератином и мочевиной, исследователи смогли быстро напечатать несколько деталей на струйном 3D-принтере при температуре всего 65 °C. В отличие от других предложенных технологий производства связующих материалов на месте, этот способ даёт возможность обойтись без сложного оборудования. Например, в случае поломки некоего высокотехнологичного устройства при необходимости консультации с Землёй ждать ответа придётся 44 минуты, и затем — ещё до 26 месяцев ожидать доставки запасных частей (полёт на Марс продолжается около 8 месяцев, но благоприятное окно запуска для старта открывается примерно раз в два года, когда Земля и Марс имеют удачное взаимное расположение на своих орбитах — см. об этом в других наших заметках, например, во вставке к этой статье).
Схема безотходного производства строительных материалов с использованием биоресурсов. Materials Today Bio (2021).
По расчётам, в литре плазмы крови человека содержится достаточно сывороточного альбумина для изготовления 30 граммов клея для реголита. Если астронавты будут сдавать кровь два раза в неделю, каждый из них сможет таким образом произвести в месяц два с половиной килограмма материала — то есть на один стандартный кирпич из красной глины. Готовый материал продемонстрировал прочность на сжатие 25 мегапаскалей; при добавлении мочевины он выдерживает до 40 МПа и сжатие более чем на 300 процентов. Земной бетон обладает прочностью на сжатие в диапазоне от 20 до 32 МПа.
«Марсианские» и «лунные» биокомпозитные материалы.
Также авторы отмечают экологичность материала — он поддаётся и повторной переработке, и утилизации. Синтетические полимеры и смолы в качестве связующих веществ, используемых на Земле, являются причиной выбросов почти 8% углекислого газа в атмосферу. Поэтому такой метод можно было бы в принципе использовать и для земного строительства, тем более что такой биологический материал на Земле можно синтезировать искусственно. На следующем этапе исследований предполагается заручиться поддержкой врачей и определить, как пребывание вне Земли повлияет на организм астронавтов с учётом экстремальных тепловых циклов, высокой радиации и низких давлений. В контексте этих исследований основным вопросом станет оценка, сколько «строительной» плазмы можно будет извлечь из их крови без риска для здоровья.
Источник: