ساخت بتن مریخی با قابلیت چاپ سه‌بعدی به کمک مخمر خشک‌شده انجمادی و ژلاتین

بزرگترین مانع برای ساخت سکونتگاه در مریخ، کمبود مصالح خام نیست، بلکه انرژی سرسام‌آوری است که برای استفاده از آن‌ها نیاز داریم. ذوب کردن خاک مریخ (رگولیت) برای تبدیل آن به آجرهای قابل استفاده یا رشته‌های چاپ سه‌بعدی، به حرارتی در مقیاس صنعتی نیاز دارد که ماموریت‌های اولیه فضایی به سادگی فاقد آن خواهند بود. اگر این کمبود انرژی پابرجا بماند، ساخت‌وساز سنتی در سیاره سرخ غیرممکن است. اما یک رویکرد بیولوژیکی جدید، کوره را به طور کامل دور می‌زند و از خلأ یخبندان جو مریخ، نه به عنوان یک مانع، بلکه به عنوان یک مزیت استفاده می‌کند.[3][4]

در مطالعه‌ای که در ۱۰ سپتامبر ۲۰۲۶ در مجله Chem Circularity منتشر شد، محققان از فرمولی پرده برداشتند که خاک شبیه‌سازی‌شده مریخ را با استفاده از دو ماده زمینی به هم می‌چسباند: ژلاتین و مخمر اصلاح‌شده ژنتیکی. وقتی این مخلوط به صورت هیدروژل بیرون می‌آید و در معرض شرایط خشن مریخ قرار می‌گیرد، به روش انجمادی خشک شده و به یک ماده متخلخل و سخت مانند سنگ تبدیل می‌شود. مصالح زیستی به‌دست‌آمده به مقاومت فشاری ۱۰ تا ۱۲ مگاپاسکال می‌رسد که آن را دقیقاً در همان رده ساختاری بتن‌های مسکونی با عیار پایین قرار می‌دهد.[2][3][4]

جیشن چیو (Jishen Qiu)، مهندس عمران در دانشگاه علم و صنعت هنگ کنگ و نویسنده ارشد این مطالعه، در یک بیانیه مطبوعاتی گفت: «الهام‌بخش من میوه‌های خشک‌شده انجمادی بودند که سفت‌تر می‌شوند.» تیم تحقیقاتی با مهندسی مخمر برای تولید پروتئین چسبنده AGA2، اطمینان حاصل کرد که سلول‌ها، ژلاتین و ذرات ماسه را محکم به هم متصل نگه می‌دارند. سازه‌های چاپ‌شده با این مخلوطِ حاوی مخمر، مقاومت فشاری ۱۷۰ درصد بیشتر از سازه‌هایی که تنها به ژلاتین متکی بودند، نشان دادند.[2][3][4]

برای آزمایش این مصالح، تیم چیو نمونه‌های اولیه چاپ سه‌بعدی خود را - گنبدهای کوچکی به ارتفاع ۴۵ میلی‌متر و عرض ۳۰ میلی‌متر - در یک محفظه شبیه‌سازی قرار دادند. آن‌ها دما را به ۳۰- درجه سانتی‌گراد کاهش دادند و فشار را به ۰٫۰۱ اتمسفر رساندند تا سطح مریخ را شبیه‌سازی کنند. در این شرایط، آب داخل هیدروژل یخ زد و بلافاصله به بخار تصعید شد. این فرآیند خشک‌کردن انجمادی، منافذ میکروسکوپی به جا گذاشت و یک ساختار فوم سبک ایجاد کرد که پیوندهای بین مخمر، ژلاتین و خاک مریخ را مستحکم کرد.[2][4]

برای سازندگان و پیمانکاران روی زمین، پیامدهای یک چسباننده بدون نیاز به حرارت و با مقاومت بالا بسیار ملموس و فوری است. صنعت ساخت‌وساز در حال حاضر به سیمان پرتلند متکی است؛ مصالحی که به کوره‌هایی با دمای ۱۴۵۰ درجه سانتی‌گراد نیاز دارد. یک چسباننده زیستی که به جای حرارت اعمال‌شده، از طریق شرایط محیطی عمل می‌آید، طرحی ایده‌آل برای کاهش چشمگیر ردپای کربن در فونداسیون و دیوارهای ساختمان‌های مسکونی ارائه می‌دهد. چیو خاطرنشان کرد: «این ماده در واقع به اندازه‌ای قوی است که بتوان با آن یک ساختمان یک یا دو طبقه روی زمین ساخت، جایی که جاذبه آن سه برابر مریخ است.»[1][4]

این مصالح همچنین مفهوم اقتصاد چرخشی را وارد مهندسی سازه می‌کند. از آنجا که این چسباننده بیولوژیکی است، بتن کاملاً قابل بازیافت است. اگر نیاز به گسترش یا جابجایی یک سکونتگاه باشد، می‌توان سازه را تخریب کرد، اجزای آن را از هم پاشید و مخمر را بازیابی کرد. ساکنان می‌توانند سپس این چسباننده زیستی را در راکتورهای زیستی دوباره پرورش دهند تا دیوارهای جدیدی چاپ کنند. چیو توضیح داد: «تا زمانی که حتی یک مخمر زنده باشد، می‌توانید دوباره آن‌ها را پرورش دهید.»[1][4]

با این حال، تبدیل این موفقیت آزمایشگاهی به یک پیاده‌سازی تمام‌عیار در مریخ هنوز با موانع بیولوژیکی جدی روبرو است. در حالی که فرآیند خشک‌کردن انجمادی با موفقیت مصالح را عمل می‌آورد، هنوز مشخص نیست که آیا سلول‌های مخمر می‌توانند از سفر چند ماهه در اعماق فضا، جایی که بمباران تشعشعات کیهانی در جریان است، جان سالم به در ببرند یا خیر. محموله اولیه ژلاتین و مخمر باید از زمین منتقل شود، به این معنی که کل زنجیره تامین به زنده نگه داشتن کشت‌های اولیه تا زمان رسیدن به راکتورهای زیستی بستگی دارد.[1][3]

با وجود خطرات بیولوژیکی، عملکرد مکانیکی نمونه‌های اولیه تحت باد و جاذبه شبیه‌سازی‌شده مریخ تایید می‌کند که فیزیک سازه به درستی کار می‌کند. در طول آزمایش، فشار وارد بر مصالح بسیار پایین‌تر از حداکثر ظرفیت آن باقی ماند. در حالی که آژانس‌های فضایی در حال نهایی کردن تدارکات برای ماموریت‌های سرنشین‌دار هستند، قابلیت بسته‌بندی یک چسباننده زیستی سبک به جای تجهیزات سنگین ساخت‌وساز، معادلات بارگیری را برای دهه آینده اکتشافات فضایی به طور اساسی تغییر می‌دهد.[2][3]