Используя бактерий для создания прочных кирпичей из материала, похожего на лунный грунт, ученые разрабатывают надежный способ строительства внеземной инфраструктуры.
В 1969 году Нил Армстронг сделал один маленький шаг для человека и гигантский скачок для человечества. После этого еще 11 человек побывали на Луне, а последний астронавт оставил свои следы на лунной поверхности в 1972 году. Теперь, более полувека спустя, космические организации готовятся к повторной отправке людей на Луну и строительству там долговременных поселений для исследовательских целей.
Алоке Кумар, инженер-механик и биофизик из Индийского научного института, всегда был увлечен исследованиями в области колонизации космоса. Это привело его к сотрудничеству с Индийской организацией космических исследований (ISRO) по созданию внеземной инфраструктуры. Кумар объяснил свой подход к делу так: «Я задал себе простой вопрос: если у астронавта будет дом на Луне, как он будет выглядеть?». Кумар решил создать «космические кирпичи» из материала, похожего на лунный грунт. Для этого его сотрудники обратились к бактерии Sporosarcina pasteurii, чтобы создать кирпичи с хорошей механической прочностью. Они также обнаружили, что эта бактерия способна заделывать трещины в кирпичах, что позволяет создать жизнеспособное решение для строительства и ремонта строительных материалов во внеземной среде.
Приступая к реализации проекта, участники проекта должны были помнить о нескольких вещах. «Колония должна использовать как можно больше ресурсов на месте», - пояснил Кумар. Это соответствует идеологии Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства о локализации ресурсов in situ, когда астронавты используют местные природные ресурсы в месте назначения вместо того, чтобы везти грузы с Земли, чтобы снизить стоимость космических полетов.
Кумар и его коллеги изготовили и собрали несколько космических кирпичей для тестирования в лаборатории. Фото: Matjaž Tančič
Лунная поверхность изобилует мелкозернистым грунтом, называемым реголитом, который можно использовать в качестве строительного сырья. Кумар и коллеги сотрудничали с учеными из ISRO, которые разработали имитатор лунного грунта, напоминающий химические, минеральные и механические свойства лунного реголита. Далее они сосредоточились на консолидации мелких частиц в структуры, которые должны обладать механической целостностью.
Исследователи обратились к процессу биоминерализации, называемому микробно-индуцированным осаждением кальцита (MICP), который обычно используется для цементирования структур. MICP включает в себя кристаллизацию карбоната кальция в почве под воздействием микроорганизмов. Кумар и его коллеги использовали почвенную бактерию S. pasteurii, которая упрочняет песок в присутствии кальция и мочевины и используется для повышения механической прочности бетонных строительных материалов. Бактерия выделяет фермент уреазу для гидролиза мочевины, что запускает серию химических реакций, приводящих к образованию ионов. Сочетание с источником кальция приводит к выпадению в осадок карбоната кальция, который служит одновременно наполнителем и цементирующим веществом, улучшающим механические свойства строительных материалов.
На практике эксперимент оказался гораздо сложнее. «В течение нескольких лет нам с трудом удавалось поддерживать жизнь бактерий даже в лунном песке», - вспоминает Кумар. Со временем специалисты поняли, что добавление биополимера, добываемого из семян гуара, - гуаровой камеди - делает симулятор лунного грунта более пригодным для жизни бактерии. Исследователи приготовили суспензию, содержащую имитатор почвы, S. pasteurii и гуаровую камедь в алюминиевых формах, и через несколько дней смесь затвердела в кирпичи. Более того, эти кирпичи по прочности на сжатие были сопоставимы с коммерчески используемыми глинобитными кирпичами.
Далее, по словам Кумара, он и его группа задались вопросом: «Что произойдет, если такой кирпич выйдет из строя [на Луне]?». Лунная среда сурова: помимо угрозы падения метеоритов, температура поверхности может колебаться от 121°C днем до -133°C после наступления ночи, что может привести к разрушению кирпичей. Поскольку другие исследователи ранее показали, что MICP может эффективно ремонтировать трещины в земных кирпичах, Кумар и его сотрудники исследовали, может ли суспензия на основе MICP ремонтировать спеченные космические кирпичи.
Они подвергли имитатор лунного грунта воздействию высокой температуры и спекли его, сформировав кирпичи. В этих кирпичах появились различные трещины и они были залиты суспензией, состоящей из имитатора реголита, S. pasteurii и гуаровой камеди. Со временем вырабатываемый бактериями карбонат кальция помог заполнить пустоты в кирпичах, значительно усилив их механические свойства. Но запустит ли бактерия те же метаболические пути, чтобы добиться подобных результатов в космосе? «Это вопрос на миллион долларов», - отвечает Кумар. «Мы всегда представляем себе, что если на Землю прилетят инопланетяне, как они будут выживать?» Но когда эти микробы отправляются на Луну, они становятся там инопланетянами, что поднимает вопросы об их адаптации и выживании.
Кумар надеется, что скоро получит ответы на эти вопросы: недавно они начали проводить эксперименты в условиях, похожих на космические, используя вакуумные камеры и симуляторы микрогравитации. Кроме того, вместе с членом лаборатории Шубханшу Шукла, астронавтом, участвующим в индийской миссии Gaganyaan, они разрабатывают проект полезной нагрузки для доставки бактерии в космос. Но пока что этот проект заставил Кумара больше ценить Землю. «Когда я начал больше узнавать о Луне и Марсе, это научило меня быть благодарным за условия, поддерживающие жизнь [на Земле]».
