3D εκτύπωση στον Άρη: Η μέθοδος κατασκευής οικισμών με αρειανό χώμα, ζελατίνη και μαγιά

Σύνοψη

• Ερευνητές δημιούργησαν ένα νέο βιολογικό υλικό κατασκευής για τον πλανήτη Άρη το οποίο βασίζεται στον συνδυασμό αρειανού χώματος, ζελατίνης και ειδικά τροποποιημένης μαγιάς.
• Η διαδικασία της 3D εκτύπωσης πραγματοποιείται χωρίς την ανάγκη θερμικής ενέργειας, εκμεταλλευόμενη τις ακραίες συνθήκες θερμοκρασίας και χαμηλής πίεσης για την άμεση ψυχρή ξήρανση του υλικού.
• Η αντοχή του υλικού φτάνει τα 10 έως 12 megapascals, νούμερο που συγκρίνεται με το σκυρόδεμα χαμηλής ποιότητας, εξασφαλίζοντας ικανότητα δόμησης πολυώροφων κτιρίων λόγω της μειωμένης αρειανής βαρύτητας.
• Το παραγόμενο μίγμα θεωρείται «ζωντανό» και ανακυκλώσιμο, επιτρέποντας την εκ νέου καλλιέργεια της μαγιάς σε βιοαντιδραστήρες για μελλοντικές κατασκευαστικές ανάγκες.

Η προσπάθεια της ανθρωπότητας να εγκαθιδρύσει (πολύ) μελλοντικά μια μόνιμη παρουσία στον πλανήτη Άρη συναντά τεράστια πρακτικά εμπόδια που σχετίζονται κυρίως με τη μεταφορά πόρων και την επιβίωση σε ένα απολύτως εχθρικό περιβάλλον. 

Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Χονγκ Κονγκ (HKU) και το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Χονγκ Κονγκ (HKUST) παρουσίασαν πρόσφατα μια πρωτοποριακή μέθοδο για την κατασκευή υποδομών, η οποία βασίζεται στη χρήση 3D εκτυπωμένων βιολογικών υλικών που παράγονται από τοπικούς πόρους. Η τεχνική αυτή υπόσχεται να λύσει το κρίσιμο πρόβλημα του βάρους των μεταφερόμενων υλικών από τη Γη, προτείνοντας τη δημιουργία δομικών στοιχείων απευθείας στην επιφάνεια του Κόκκινου Πλανήτη με την προσθήκη ελάχιστων μόνο βιολογικών συστατικών που θα ταξιδέψουν μαζί με τους πρώτους αστροναύτες. Το εγχείρημα εστιάζει στην εκμετάλλευση της ίδιας της αρειανής φύσης αντί για την καταπολέμηση της, ανοίγοντας νέους δρόμους για τη διαστημική αρχιτεκτονική.

Πώς κατασκευάζονται τα 3D εκτυπωμένα σπίτια στον Άρη με μαγιά και αρειανό χώμα;

Η διαδικασία βασίζεται στη μίξη θρυμματισμένου αρειανού πετρώματος με ένα συγκολλητικό υγρό που αποτελείται από ζελατίνη και γενετικά τροποποιημένη μαγιά, το οποίο εκτυπώνεται τρισδιάστατα υπό συνθήκες -30 °C και ατμοσφαιρικής πίεσης 0.01 atm. Το υλικό στεγνώνει αυτόματα μέσω ψυχρής ξήρανσης δημιουργώντας μια πορώδη δομή αντοχής 10-12 MPa, η οποία επαρκεί για την ανέγερση πολυώροφων κτιρίων στην μειωμένη αρειανή βαρύτητα.

• Συστατικά: Θρυμματισμένο αρειανό πέτρωμα, ζελατίνη, γενετικά τροποποιημένη μαγιά επενδυμένη με πρωτεΐνες ισχυρής πρόσφυσης.
• Συνθήκες εκτύπωσης: Θερμοκρασία -30 °C και πίεση 0.01 atm, προσομοιώνοντας απολύτως το περιβάλλον του Άρη.
• Αντοχή συμπίεσης: Από 10 έως 12 megapascals, επίπεδο ισοδύναμο με το σκυρόδεμα χαμηλής ποιότητας που χρησιμοποιείται στη Γη.
• Ενεργειακές απαιτήσεις: Μηδενική ανάγκη για θερμική ενέργεια κατά την παραγωγή, σε αντίθεση με το θειικό σκυρόδεμα που απαιτεί θέρμανση στους 115-120 °C.

Το περιβάλλον του Άρη χαρακτηρίζεται από ακραίο ψύχος, διαρκή βομβαρδισμό από ηλιακή και κοσμική ακτινοβολία και μια ατμόσφαιρα εκατό φορές πιο αραιή από την αντίστοιχη γήινη. Τα παραδοσιακά υλικά κατασκευής που θεωρούμε δεδομένα, όπως τα πλαστικά, τα σύνθετα υλικά και τα διάφορα στεγανωτικά, απελευθερώνουν παγιδευμένα αέρια και πτητικές ενώσεις στο σχεδόν απόλυτο κενό, με αποτέλεσμα την ταχύτατη υποβάθμιση τους. Επιπλέον, η έντονη υπεριώδης ηλιακή ακτινοβολία διασπά ακαριαία τους μοριακούς δεσμούς των οργανικών πολυμερών, ενώ οι τεράστιες θερμοκρασιακές διακυμάνσεις προκαλούν θερμικές τάσεις ικανές να ρηγματώσουν τον δομικό χάλυβα και να καταστρέψουν τις όποιες αρθρώσεις και συνδέσεις. Ακόμα και το νερό που αποτελεί βασικό συστατικό του συμβατικού τσιμέντου είτε βράζει είτε παγώνει ακαριαία, καθιστώντας τις γνώριμες μεθόδους δόμησης πρακτικά ανεφάρμοστες.

Για να παρακάμψουν αυτά τα ανυπέρβλητα εμπόδια, οι αεροδιαστημικοί μηχανικοί στρέφονται προς την αξιοποίηση των επιτόπιων πόρων μέσω της πρακτικής In-Situ Resource Utilization (ISRU), η οποία προβλέπει τη χρήση υλικών που βρίσκονται ήδη στον πλανήτη προορισμού. Η μεταφορά συμβατικών οικοδομικών υλικών από τη Γη στο διάστημα παραμένει απαγορευτικά ακριβή και πολύπλοκη, λαμβάνοντας υπόψη ότι το βάρος παίζει τον καθοριστικότερο ρόλο στην κατανάλωση καυσίμου. Εκεί ακριβώς εντοπίζεται η καινοτομία της προτεινόμενης μεθόδου, καθώς εξαλείφει την ανάγκη για υψηλή κατανάλωση θερμικής ενέργειας, εκμεταλλευόμενη τον παγωμένο αέρα του Άρη για να σταθεροποιήσει τη δομή. Μόλις το υγρό μίγμα εξέλθει από το ακροφύσιο του 3D εκτυπωτή, το αρειανό περιβάλλον το υποβάλλει σε άμεση ψυχρή ξήρανση, αναγκάζοντας τους υδρατμούς να εξατμιστούν και αφήνοντας πίσω τους μικροσκοπικούς πόρους που δημιουργούν μια ελαφριά αλλά εξαιρετικά ανθεκτική αρχιτεκτονική δομή.

Οι ερευνητές επικύρωσαν τη θεωρία τους πραγματοποιώντας εκτυπώσεις δοκιμίων υπό αυστηρά προσομοιωμένες συνθήκες αρειανού περιβάλλοντος, δημιουργώντας μικρούς θόλους με ύψος 45 χιλιοστά και πλάτος 30 χιλιοστά. Οι μετρήσεις έδειξαν αντοχή συμπίεσης 10 έως 12 megapascals, καταδεικνύοντας ότι το μίγμα μπορεί να υποστηρίξει τεράστια φορτία εάν αναλογιστούμε πως η βαρύτητα στον Άρη αντιστοιχεί στο ένα τρίτο της γήινης. Αυτό πρακτικά μεταφράζεται στη δυνατότητα κατασκευής πολυώροφων συγκροτημάτων που θα μπορούν να φιλοξενήσουν τόσο τους ίδιους τους αστροναύτες όσο και τον ευαίσθητο επιστημονικό εξοπλισμό τους. Βέβαια, ένα από τα πιο εντυπωσιακά χαρακτηριστικά αυτής της εφεύρεσης παραμένει η ιδιότητα της να χαρακτηρίζεται ως «ζωντανό» υλικό. Η μαγιά που περιέχεται στη ζελατινώδη βάση μπορεί, υπό τις κατάλληλες συνθήκες, να ανακυκλωθεί και να καλλιεργηθεί εκ νέου μέσα σε βιοαντιδραστήρες, παρέχοντας μια συνεχή και αυτοτροφοδοτούμενη πηγή δομικού υλικού που θα μειώσει δραματικά την εξάρτηση της μελλοντικής αποικίας από τις αποστολές ανεφοδιασμού που θα καταφθάνουν από τη Γη.

Η ανακάλυψη αυτή έρχεται να συμπληρώσει προηγούμενες προσπάθειες κατασκευής εναλλακτικών υλικών, όπως το εντυπωσιακό Starcrete, το οποίο βασίζεται στο άμυλο της πατάτας, το αρειανό χώμα και μικρές ποσότητες αλατιού, επιτυγχάνοντας ωστόσο διαφορετικές μηχανικές αντοχές. Σε κάθε περίπτωση, παραμένει ανοιχτό το ερώτημα σχετικά με το κατά πόσο οι ζωντανοί οργανισμοί όπως η μαγιά θα κατορθώσουν να επιβιώσουν μακροπρόθεσμα απέναντι στην καταστροφική κοσμική ακτινοβολία που διαπερνά την αρειανή ατμόσφαιρα, ένα πρόβλημα που οι επιστήμονες ευελπιστούν να επιλύσουν μέσω κατάλληλων μεθόδων θωράκισης. 

Η συνδυαστική προσέγγιση της επιστήμης των υλικών με την προηγμένη ρομποτική κατασκευή, και μάλιστα εν μέσω πρωτοφανών τεχνολογικών αλμάτων στα συστήματα πρόωσης, προδιαγράφει ένα μέλλον όπου η εξερεύνηση του διαστήματος δεν θα περιορίζεται απλώς στην τοποθέτηση σημαιών, αλλά στη δημιουργία βιώσιμων οικισμών που θα φιλοξενήσουν την επόμενη γενιά πρωτοπόρων του διαστήματος.

Με τη ματιά του Techgear

Όλα αυτά τα πειράματα των ερευνητικών ιδρυμάτων μπορεί να μοιάζουν με πολυτέλειες την ώρα που η ίδια η Γη αντιμετωπίζει έντονες κλιματικές και περιβαλλοντικές προκλήσεις, όμως η πραγματικότητα αποδεικνύει σταθερά το αντίθετο. Οι τεχνολογίες που αναπτύσσονται για τα ακραία σενάρια του Διαστήματος σχεδόν πάντα καταλήγουν να προσφέρουν λύσεις και στην καθημερινότητα μας, ειδικά σε τομείς όπως η βιώσιμη δόμηση και η μείωση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος της παγκόσμιας κατασκευαστικής βιομηχανίας. 

Όταν μάθουμε να χτίζουμε πολυώροφα κτίρια με το χώμα κάτω από τα πόδια μας και ελάχιστες οργανικές κόλλες σε έναν παγωμένο πλανήτη, οι ενεργοβόρες τσιμεντοβιομηχανίες στη Γη θα βρεθούν αντιμέτωπες με ριζικές αλλαγές στον τρόπο που αντιλαμβάνονται την παραγωγή τους. Το σημαντικότερο συμπέρασμα παραμένει πως η παρατήρηση των διαστημικών εξελίξεων λειτουργεί ως ένας μεγεθυντικός φακός για τη μελλοντική επίλυση των δικών μας τεχνολογικών και βιομηχανικών αδιεξόδων.