Μηχανικοί δημιούργησαν υλικό για την κατασκευή κτηρίων στον Άρη με άμμο, ζελατίνη και ζωντανή μαγιά

Αντί να θερμαίνουν πετρώματα σε θερμοκρασίες άνω των 1.000 βαθμών Κελσίου, όπως προβλέπουν οι περισσότερες προτάσεις για την κατασκευή κατοικιών στον Κόκκινο Πλανήτη, αξιοποίησαν το ακραίο ψύχος για να δημιουργήσουν ανθεκτικά υλικά με πολύ μικρότερη κατανάλωση ενέργειας.

Η ιδέα προήλθε από τα λυοφιλοποιημένα φρούτα (αυτά που έχουν αποξηρανθεί με τη μέθοδο της κατάψυξης και της αφαίρεσης του νερού υπό κενό). «Η έμπνευσή μου ήταν τα φρούτα που γίνονται σκληρότερα όταν υφίστανται λυοφιλίωση», εξηγεί στο Earth.com ο πολιτικός μηχανικός Τζίσεν Τσιου από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Χονγκ Κονγκ, ο οποίος ηγήθηκε της έρευνας σε συνεργασία με το Πολυτεχνείο της πόλης.

Η ομάδα δημιούργησε ένα υγρό μείγμα άμμου, ζελατίνης και μαγιάς, το οποίο στη συνέχεια υπέβαλε σε κατάψυξη και ξήρανση υπό κενό. Σε θερμοκρασία -55 βαθμών Κελσίου και πίεση περίπου ένα δεκάκις χιλιοστό της γήινης, το νερό παγώνει και μετατρέπεται απευθείας από πάγο σε υδρατμό.

Η διαδικασία αφήνει πίσω της έναν άκαμπτο, πορώδη σκελετό ζελατίνης που συγκρατεί τη μαγιά και την άμμο. Οι πόροι καθιστούν το υλικό ιδιαίτερα ελαφρύ σε σχέση με τα φορτία που μπορεί να αντέξει.

Η εκτύπωση απαιτεί ακριβή έλεγχο της θερμοκρασίας, καθώς το μείγμα πρέπει να εξέρχεται από το ακροφύσιο στους 37 βαθμούς Κελσίου. Σε χαμηλότερη θερμοκρασία πήζει πρόωρα, ενώ σε υψηλότερη χάνει το σχήμα του.

Οι ερευνητές κατασκεύασαν έναν δοκιμαστικό πύργο ύψους 2,5 εκατοστών και πλάτους 1,5 εκατοστού, σε θερμοκρασία -30 βαθμών Κελσίου και πίεση 0,01 ατμοσφαιρών.

Η μαγιά ενισχύει την αντοχή

Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μαγιά αρτοποιίας, την οποία τροποποίησαν γενετικά ώστε τα κύτταρά της να καλύπτονται από συγκολλητικές πρωτεΐνες, μεταξύ των οποίων και πρωτεΐνες που χρησιμοποιούν τα μύδια για να προσκολλώνται σε υγρές επιφάνειες.

Η τροποποιημένη μαγιά αύξησε την αντοχή του υλικού στη συμπίεση κατά 170% σε σύγκριση με το ίδιο μείγμα χωρίς κύτταρα. Παράλληλα, βελτίωσε τη συγκόλληση και δημιούργησε ομοιόμορφα κατανεμημένους πόρους διαμέτρου περίπου πέντε μικρομέτρων.

Το νέο υλικό εμφάνισε μέση αντοχή στη συμπίεση περίπου 12 μεγαπασκάλ, συγκρίσιμη με σκυρόδεμα χαμηλής αντοχής, και αντοχή στην κάμψη περίπου 6 μεγαπασκάλ, έως και διπλάσια από εκείνη ελαφρού σκυροδέματος ίδιας πυκνότητας.

Σύμφωνα με τον Τσιου, η αντοχή αυτή θα επαρκούσε για την κατασκευή ενός διώροφου κτηρίου στη Γη, όπου η βαρύτητα είναι τριπλάσια από εκείνη του Άρη. Επομένως, το υλικό θα μπορούσε ενδεχομένως να χρησιμοποιηθεί για πολυώροφες κατασκευές στον Κόκκινο Πλανήτη.

Εξοικονόμηση ενέργειας

Το σημαντικότερο πλεονέκτημα είναι η εξοικονόμηση ενέργειας. Η παραγωγή ενός κυβικού μέτρου απαιτεί εκτιμώμενη ενέργεια 0,02 έως 0,12 γιγατζάουλ, δηλαδή δεκάδες φορές λιγότερη από τη θερμική σύντηξη πετρωμάτων. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς της ομάδας, μια ηλιακή εγκατάσταση που θα χρειαζόταν αρκετές ημέρες για να συντήξει αντίστοιχη ποσότητα πετρωμάτων θα μπορούσε να παραγάγει το νέο υλικό σε λιγότερο από μία ώρα.

Η σύγκριση, ωστόσο, δεν περιλαμβάνει την ενέργεια για εκσκαφές, βιοαντιδραστήρες, αντλίες και ρομπότ, ενώ θα απαιτούνταν η μεταφορά περίπου 20 κιλών συστατικών από τη Γη.

Ανακυκλώνεται χωρίς να χάνει την αντοχή του

Ένα ακόμη πλεονέκτημα είναι η δυνατότητα ανακύκλωσης. Οι ερευνητές θρυμμάτισαν δοκιμαστικά τούβλα, θέρμαναν τη ζελατίνη μέχρι να διαλυθεί και επανέλαβαν τη διαδικασία ανάμειξης και κατάψυξης τέσσερις φορές. Τα τούβλα τέταρτης γενιάς διατήρησαν αντοχή 11,8 μεγαπασκάλ, σχεδόν ίση με την αρχική, ενώ τα κύτταρα μαγιάς παρέμειναν ζωντανά.

Παρά τα αποτελέσματα, παραμένουν σημαντικά εμπόδια. Δεν έχει διαπιστωθεί αν η μαγιά μπορεί να επιβιώσει από την κοσμική ακτινοβολία, ενώ τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν με αδρανή άμμο και όχι με προσομοίωση του αρειανού εδάφους, το οποίο περιέχει τοξικά άλατα. Επιπλέον, η αποτελεσματικότερη σύνθεση χρησιμοποιεί ζελατίνη από χοιρινό δέρμα και θρεπτικά συστατικά που πρέπει να μεταφερθούν από τη Γη.

Η μελέτη δημοσιεύθηκε στην επιστημονική επιθεώρηση Chem Circularity.