Grzybowe cegły na Księżyc i Marsa

budowanie budynków w kosmosie: uncg — biologia spotyka się z inżynierią

Partnerstwo to łączy laboratorium ekologii grzybów Nicholasa Oberliesa z UNC Greensboro z Luna Labs, firmą zajmującą się rozwojem produktów z siedzibą w Wirginii, która przeprowadzi testy strukturalne i analizę materiałową. Zespół Oberliesa wnosi doświadczenie w hodowli i charakteryzowaniu grzybów — w tym gatunków takich jak boczniaki (Pleurotus ostreatus) i niektóre huby znane ze swojej sztywności — podczas gdy Luna Labs zapewnia testy mechaniczne, pomiary ściskania oraz rodzaj danych opartych na standardach, których inżynierowie potrzebują do oceny nowego materiału konstrukcyjnego.

Zgodnie z ogłoszeniem uniwersytetu, plan zakłada hodowlę strzępek grzybni w taki sposób, aby infiltrowały one i wiązały luźne cząstki regolitu zmieszane ze strumieniem składników odżywczych pochodzących z symulowanych ludzkich odchodów. Jeśli sieć strzępek skutecznie połączy materiał ziarnisty, naukowcy poddadzą kompozyt sterylizacji i sprasują go w jednolity blok. Luna Labs określi następnie, jakie obciążenie mogą wytrzymać te bloki, jak zachowują się pod wpływem ściskania i czy mogą być wystarczająco trwałe, aby służyć do budowy habitatów lub innej infrastruktury.

Założenia te stanowią kwintesencję wykorzystania zasobów in situ (ISRU): zamiast transportować cegły i cement z Ziemi, system pozwalałby na hodowlę i formowanie materiałów tam, gdzie są one potrzebne, przy użyciu jedynie niewielkich ładunków początkowych w postaci zarodników lub inokulum, a także energii, wody i zamkniętego obiegu składników odżywczych. Sprawia to, że koncepcja ta jest atrakcyjna dla planistów misji starających się zminimalizować masę startową i długoterminowe łańcuchy dostaw dla baz na Księżycu i Marsie.

budowanie budynków w kosmosie: uncg — testy, materiały i metryki

W swej istocie eksperyment UNCG i Luna Labs testuje trzy powiązane idee: które gatunki grzybów tolerują chemię zbliżoną do regolitu, czy sieć grzybni może wiązać cząstki nieorganiczne w spójny kompozyt oraz jaka obróbka po zakończeniu wzrostu jest wymagana, aby materiał był bezpieczny i użyteczny strukturalnie. Zespół przeprowadzi kontrolowane próby wzrostu przy użyciu symulowanego regolitu (analogów skał i pyłu naśladujących powierzchnię Księżyca lub Marsa) zmieszanego z surowcem mającym przypominać przetworzone ludzkie odchody, zapewniając grzybom źródło węgla i składników odżywczych.

Gdy wzrost wytworzy gęstą matrycę grzybni, kompozyt zostanie poddany obróbce cieplnej lub innej formie sterylizacji i mechanicznie skonsolidowany w formę przypominającą cegłę. Luna Labs zmierzy wytrzymałość na ściskanie, sztywność i mechanizmy niszczenia; przetestuje również zmienność między partiami oraz wpływ różnych receptur wzrostu. Dane te pozwolą ustalić, czy materiał nadaje się do zastosowań nienośnych, takich jak izolacja lub ścianki działowe, czy też może zostać dopracowany do pełnienia ról strukturalnych.

Współpracownicy wyraźnie zaznaczają, że są to badania na wczesnym etapie: zespół dąży do zidentyfikowania obiecujących gatunków i okien procesowych, a nie do dostarczenia w pełni certyfikowanych bloków konstrukcyjnych. Niemniej jednak nacisk na mierzalne właściwości materiałowe i powtarzalne testy stanowi krok poza prace czysto koncepcyjne — jest to próba wprowadzenia kompozytów z grzybni do języka inżynierii, z którego mogą korzystać projektanci misji.

Mechanika grzybni i praktyczne zalety

Materiały na bazie grzybni opierają się na sieciach strzępek grzybowych — mikroskopijnych, nitkowatych włóknach — które przeplatają się i wydzielają polimery wiążące ze sobą cząstki podłoża. W prezentacjach na Ziemi kompozyty z grzybni wytwarzane z odpadów rolniczych są lekkie, termoizolacyjne i ognioodporne, a przy tym można je hodować w określonych kształtach przy stosunkowo niewielkim nakładzie energii w porównaniu ze spiekaniem w wysokiej temperaturze czy konwencjonalnym dojrzewaniem betonu.

W przypadku zastosowań kosmicznych zalety są oczywiste: grzyby mogą przekształcać strumienie odpadów w materiał, redukując logistykę i zamykając obiegi w systemach podtrzymywania życia; wzrost może odbywać się w niskich temperaturach w porównaniu ze spiekaniem; a komórkowa struktura kompozytów z grzybni może zapewniać naturalne właściwości izolacyjne dla kontroli termicznej. Ponadto, ponieważ systemy żywe mogą czasami samoczynnie naprawiać drobne pęknięcia, materiały pochodzenia biologicznego oferują ścieżki konserwacji, których nie posiadają materiały całkowicie obojętne.

Projekt UNCG kładzie nacisk na te możliwości, zachowując jednocześnie ostrożność. Najbardziej prawdopodobnymi zastosowaniami w najbliższym czasie są funkcje nienośne: izolacja habitatów, wewnętrzne panele tłumiące promieniowanie lub ochronny nadkład dla zagłębionych habitatów. Jeśli właściwości wytrzymałościowe na ściskanie i rozciąganie uda się poprawić dzięki dodatkom lub obróbce wtórnej, szersze role strukturalne mogą stać się prawdopodobne, ale pozostaje to kwestią otwartą, którą zbadają obecne testy.

Wyzwania i pytania bez odpowiedzi

Przekształcenie obiecującej demonstracji laboratoryjnej w gotowy do misji materiał budowlany wiąże się z wieloma przeszkodami. Księżyc i Mars narażają organizmy i materiały na warunki zbliżone do próżni lub rzadką atmosferę CO2, ekstremalne wahania temperatury i promieniowanie jonizujące — warunki bardzo odmienne od wilgotnego stołu laboratoryjnego. Hodowla grzybni będzie wymagała wody, kontrolowanej atmosfery i temperatury zgodnej z metabolizmem grzybów, co generuje koszty energetyczne i inżynieryjne.

Kolejnym ograniczeniem jest ochrona planetarna: każde podejście biologiczne musi unikać zanieczyszczenia środowisk planetarnych życiem z Ziemi. Oznacza to jasne strategie sterylizacji lub izolacji, które zespół UNCG planuje przetestować, sterylizując wyhodowane kompozyty przed ich użyciem. Pozostają również otwarte pytania dotyczące trwałości pod wpływem uderzeń mikrometeoroidów, długoterminowego pełzania mechanicznego w niskiej grawitacji oraz tego, jak chemia regolitu (na przykład reaktywne nadchlorany na Marsie) wpływa na wzrost i stabilność materiału.

Wreszcie, symulowane ludzkie odchody są użytecznym surowcem testowym na Ziemi, ale rzeczywiste systemy misji będą wymagały solidnych pętli recyklingu składników odżywczych i ścisłej kontroli mikrobiologicznej. Skalowanie od małych cegieł do struktur wielometrowych stwarza dodatkowe problemy inżynieryjne — ramowanie, łączenie, uszczelnianie i integrację ze śluzami powietrznymi oraz systemami zasilania — które muszą zostać rozwiązane w późniejszych fazach rozwoju.

Droga ku zdatnym do zamieszkania habitatom

Praca UNCG i Luna Labs jest jednym z elementów szerszego programu badawczego zgłębiającego biologię jako technologię budowlaną w kosmosie. Jeśli testy wykażą stałą wydajność mechaniczną, a rozwiązania inżynieryjne zapewnią komory wzrostu, recykling wody i sterylizację przy akceptowalnym budżecie masy i energii, kompozyty grzybowe mogą dołączyć do zestawu narzędzi, który obejmuje już spiekanie regolitu, druk 3D ze spoiwami przypominającymi cement oraz moduły nadmuchiwane.

Cele krótkoterminowe są praktyczne i skromne: zidentyfikowanie odpornych szczepów grzybów, ilościowe określenie wytrzymałości na ściskanie i jej zmienności oraz zademonstrowanie procesu sterylizacji i konsolidacji. Sukces na tych etapach uzasadniałby przeprowadzenie demonstracji na małą skalę na orbicie lub na Księżycu, gdzie kontrolowany wzrost i obróbka mogłyby zostać przetestowane w odpowiednich środowiskach. W dłuższej perspektywie sprawdzony łańcuch biofabrykacji może zmniejszyć zależność od materiałów dostarczanych z Ziemi i otworzyć nowe paradygmaty projektowania schronień, które "rosną" z lokalnej ziemi i przetworzonych odpadów.

Na razie wartość projektu jest w równym stopniu koncepcyjna, co techniczna: zmusza on inżynierów i biologów do wspólnego operowania tymi samymi jednostkami, harmonogramami i analizą mechanizmów niszczenia. To właśnie to tłumaczenie — konwersja opisów procesów biologicznych na krzywe ściskania i współczynniki projektowe — zadecyduje o tym, czy grzyby pozostaną intrygującym pomysłem, czy staną się praktycznym narzędziem dla przyszłych odkrywców.

Źródła

• UNC Greensboro (UNCG) — ogłoszenie projektu i podsumowanie badań
• Luna Labs — partnerstwo w zakresie testowania materiałów i inżynierii
• NASA — finansowanie badań nad wykorzystaniem zasobów in situ