НАСА и Китайское национальное космическое агентство (CNSA) планируют организовать первые пилотируемые миссии на Марс в следующем десятилетии. Они начнутся с запуска экипажа в 2033 году, а последующие миссии будут запускаться каждые 26 месяцев, чтобы совпасть с Марсом и Землей, находящимися в ближайшей точке своих орбит. Эти миссии завершатся созданием аванпостов, которые будут использовать будущие астронавты, что, возможно, приведет к постоянным местам обитания. В последние десятилетия НАСА проводило проектные исследования и конкурсы (например, 3D-Print Habitat Challenge) для изучения возможных проектов и методов строительства.
НАСА и Китайское национальное космическое агентство (CNSA) планируют организовать первые пилотируемые миссии на Марс в следующем десятилетии. Они начнутся с запуска экипажа в 2033 году, а последующие миссии будут запускаться каждые 26 месяцев, чтобы совпасть с Марсом и Землей, находящимися в ближайшей точке своих орбит. Эти миссии завершатся созданием аванпостов, которые будут использовать будущие астронавты, что, возможно, приведет к постоянным местам обитания. В последние десятилетия НАСА проводило проектные исследования и конкурсы (например, 3D-Print Habitat Challenge) для изучения возможных проектов и методов строительства.
Например, в Mars Design Reference Architecture 5.0 НАСА описывает «пригородную» архитектуру, основанную на «центрально расположенной, монолитной среде обитания» легких надувных сред обитания. Однако новое предложение предусматривает создание базы с использованием организмов, которые извлекают металлы из песка и горных пород (процесс, известный как биоминерализация). Вместо того, чтобы перевозить строительные материалы или сборные модули на борту космического корабля, астронавты, направляющиеся на Марс, могут привезти синтетические культуры бактерий, которые позволят им выращивать свою среду обитания с самой Красной планеты.
Концепция, известная как «Саморастущие строительные блоки с поддержкой биоминерализации для оснащения среды обитания на Марсе», была предложена доктором Конгруи Грейс Джин — доцентом кафедры гражданской и экологической инженерии в Университете Небраски-Линкольна. Ее предложение было одним из нескольких, отобранных NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) для разработки фазы I, которая включает в себя грант в размере 12 500 долларов. Эта программа ежегодно запрашивает передовые, инновационные и технически осуществимые концепции, которые помогают миссиям НАСА и способствуют достижению целей агентства по исследованию космоса.
«В последние несколько лет я работал над самовосстанавливающимся бетоном. Поэтому, когда бетон создает трещины, мы используем бактерии или грибы, чтобы побудить биоминералы заживить трещины. А затем мы думаем о других возможностях, таких как саморастущие материалы. Таким образом, у нас будут частицы почвы или агрегаты, мы хотим использовать грибы или бактерии, чтобы превратить их в сплоченное тело».
«Это будет очень важно, если не будет человеческого труда, особенно на Марсе. Они могут делать это автоматически. Мы предлагаем, чтобы вместо доставки материалов с Земли на Марс мы могли напрямую использовать материалы in-situ. Из проб почвы, атмосферы и воды на Марсе мы можем просто принести некоторые бактерии или споры грибов, и они построят кирпичи для нас».
Ключом к этому является «биоминерализация», процесс, в котором бактерии и споры могут собирать минералы, такие как карбонат кальция (CaCO).3), иначе известный как известняк. Ученые знали, что на Марсе есть известняк и другие карбонаты, о чем свидетельствует посадочный модуль Pheonix Mars, который обнаружил следы CaCO3 на месте посадки в 2008 году. Это было подтверждено последующим анализом образцов, проведенным марсоходами Spirit и Opportunity, и картографированием минералов, проведенным такими миссиями, как Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) НАСА.
Согласно предложению доктора Джина, будущие миссии могут быть оснащены «инструментами синтетической биологии» для создания синтетических лишайниковых систем (диазотрофные цианобактерии и нитевидные грибы). Они превратятся в CaO3 в обильные биополимеры, которые можно комбинировать с марсианским реголитом для «выращивания» строительных материалов. «Они будут работать как катализатор для содействия образованию карбоната кальция, и эти кристаллы карбоната кальция будут работать как клей, чтобы связать эти частицы почвы вместе», — сказал доктор Джин. «Вам нужно поместить частицы песка в форму, которую вы хотите, тогда бактерии и грибы вырастут в форму плесени».
В этой предложенной автономной системе цианобактерии и нитевидные грибы выполняют разные (но взаимодополняющие функции). Согласно предложению NAIC, цианобактерии ответственны за 1) захват углекислого газа и превращение его в карбонатные ионы и 2) обеспечение кислорода и органических соединений для поддержки нитевидных грибов. Грибы, между тем, отвечают за 1) связывание ионов кальция на стенках грибковых клеток и служат местами зарождения для осаждения карбоната кальция и 2) помогают выживанию и росту цианобактерий, предоставляя им дополнительный углекислый газ и уменьшая их окислительный стресс.
Кроме того, цианобактерии и грибы выделяют «внеклеточные полимерные вещества», которые усиливают адгезию между частицами реголита и биополимерами и сцепление между осажденными частицами. Доктор Джин также подробно описал процесс создания этих синтетических бактерий и грибов, который гарантирует, что они работают симбиотически, а не конкурентоспособно:
«Нам нужно найти те штаммы, которые могут уживаться друг с другом. Это называется мутуалистическим со-культивированием. В принципе, некоторые из них могут улучшить жизнь партнера. Нам нужны нитевидные грибы из-за их нитевидной структуры. Они могут способствовать увеличению количества кристаллов карбоната кальция. Но нам также нужно, чтобы цианобактерии могли делать фотосинтез — они могут захватывать CO2 и генерировать органический углерод для грибов».
Самовосстановление биоинкапсулированного бетонного образца в течение 3 недель. Фото: Джахрани и др. (2019)
Чтобы начать этот процесс, все еще есть оборудование, которое нужно будет доставить на Марс. Из-за атмосферы низкого давления, радиации и экстремальных температур доктор Джин говорит, что будущие миссии должны будут принести фотобиореактор. Этот биореактор находится там, где будут расти культуры бактерий и лишайников и где будет происходить процесс сборки. В конечном счете, предложение предусматривает биореакторы, производящие кирпичи, которые удаляются для строительства поверхностных конструкций. Что касается темпов производства, доктор Джин утверждает, что необходимы дополнительные исследования:
«Это действительно зависит от питательных веществ, температуры и давления. Так что мы все еще изучаем этот процесс. Мы хотим оптимизировать факторы, которые влияют на процесс, чтобы мы могли сделать это намного быстрее», — сказала она. Тем не менее, еще одно преимущество заключается в том, что эти строительные материалы также будут самовосстанавливаться. «Если вы не убиваете бактерии или грибы, они всегда могут генерировать эти кристаллы известняка. Поэтому позже, когда структура генерирует трещины, они могут заживлять их автоматически. Таким образом, этот материал является саморастающим и самовосстанавливающимся. Таким образом, у них есть много особенностей, которых у нас нет с материалами на Земле».
В то время как биоминерализация - это то, что исследователи исследовали в течение многих лет, это предложение представляет собой первое по двум причинам. Во-первых, это первый проект, в котором нитевидные грибы рассматриваются как биоминеральный продуцент, а не бактерии. Доктор Джин провела обширные исследования по биоминерализации в последние годы, и ее результаты показали, что нитевидные грибы обладают отличительными преимуществами перед бактериями. Главным из них является их исключительная способность производить большое количество минералов за короткий промежуток времени.
Во-вторых, этот проект является первым, в котором используется технология саморастания путем создания синтетической системы лишайников и использования симбиотических взаимодействий между фотоавтотрофными цианобактериями и гетеротрофными нитевидными грибами. Фотоавтотрофы известны тем, что используют солнечный свет для превращения неорганического углерода в органические материалы (в данном случае органический углерод). Ни одна из саморастущих практик, исследованных до сих пор, не была полностью автономной, поскольку они, как правило, были ограничены одним видом или штаммом гетеротрофов, зависящих от постоянного внешнего запаса органического углерода.
Иллюстрация фотобиореактора, который мог бы выращивать пищу и строительные материалы на Марсе. Фото: Йорис Вегнер/ZARM/Бременский университет
Эта технология имеет применение и за пределами освоения космоса. Помимо создания мест обитания на Марсе и других телах за пределами Земли, технология также может революционизировать строительство здесь, на Земле. В регионах, которые пострадали от войны, стихийных бедствий и изменения климата, эта автономная, саморастущая технология имеет потенциал «исцеления» поврежденных структур и создания новой инфраструктуры таким образом, чтобы иметь отрицательный углеродный след. Поскольку этот процесс опирается на CO2, улавливаемый из атмосферы, он согласуется с глобальными усилиями по восстановлению климата.
Эта технология является еще одним примером того, как земные организмы и биологические процессы вдохновляют устойчивые и регенеративные космические системы. Эти же технологии, которые могли бы позволить человечеству устойчиво жить в космосе, также могут помочь нам бороться с изменением климата и обратить вспять его здесь, дома. Подобно процессу, который питает эту предлагаемую технологию биореактора, отношения являются симбиотическими.
