Грибные кирпичи для Луны и Марса

Выращивание зданий в космосе: UNCG — биология встречается с инженерией

В рамках данного партнерства лаборатория экологии грибов Николаса Оберлиса (Nicholas Oberlies) в UNC Greensboro сотрудничает с Luna Labs — вирджинской фирмой по разработке продуктов, которая будет проводить структурные испытания и анализ материалов. Команда Оберлиса обладает опытом в культивировании и характеристике грибов — включая такие виды, как вешенка обыкновенная (Pleurotus ostreatus) и некоторые трутовики, известные своей жесткостью, — в то время как Luna Labs обеспечивает механические испытания, измерения сжатия и стандартизированные данные, необходимые инженерам для оценки нового строительного материала.

Согласно заявлению университета, план заключается в культивировании грибных гиф таким образом, чтобы они проникали в рыхлые частицы реголита и связывали их, будучи смешанными с питательным потоком, полученным из имитированных человеческих отходов. Если сеть гиф эффективно свяжет гранулированный материал, исследователи стерилизуют и спрессуют композит в монолитный блок. Затем Luna Labs количественно определит, какую нагрузку могут выдержать эти блоки, как они ведут себя при сжатии и можно ли сделать их достаточно прочными для жилых модулей или другой инфраструктуры.

Такая постановка задачи является классическим примером использования ресурсов на месте (in-situ resource utilization): вместо того чтобы доставлять кирпичи и цемент с Земли, система будет выращивать и формировать материалы там, где они необходимы, используя лишь небольшие стартовые грузы спор или инокулята, а также энергию, воду и цикл питательных веществ. Это делает концепцию привлекательной для планировщиков миссий, стремящихся минимизировать массу запуска и долгосрочные цепочки поставок для баз на Луне и Марсе.

Выращивание зданий в космосе: UNCG — тесты, материалы и показатели

В своей основе эксперимент UNCG и Luna Labs проверяет три взаимосвязанные идеи: какие виды грибов переносят химический состав, подобный реголиту; может ли мицелиальная сеть связать неорганические частицы в целостный композит; и какая обработка после выращивания требуется, чтобы сделать материал безопасным и структурно полезным. Команда проведет контролируемые испытания роста, используя имитацию реголита (аналоги горных пород и пыли, имитирующие поверхность Луны или Марса), смешанную с сырьем, напоминающим переработанные человеческие отходы, что обеспечит грибам источник углерода и питательных веществ.

Как только в процессе роста сформируется плотная матрица мицелия, композит подвергнется термической обработке или иной стерилизации и механическому уплотнению до формы кирпича. Luna Labs измерит прочность на сжатие, жесткость и типы разрушения; они также протестируют вариативность между партиями и влияние различных рецептов выращивания. Эти данные определят, подходит ли материал для ненесущих конструкций, таких как изоляция или внутренние перегородки, или его можно адаптировать для выполнения структурных функций.

Партнеры подчеркивают, что это исследование находится на ранней стадии: команда стремится выявить перспективные виды и параметры процессов, а не предоставить полностью сертифицированные строительные блоки. Тем не менее, акцент на измеримых свойствах материалов и повторяемых испытаниях знаменует собой шаг вперед по сравнению с чисто концептуальной работой — это попытка перевести описание композитов из мицелия на инженерный язык, понятный проектировщикам миссий.

Механика мицелия и практические преимущества

Материалы на основе мицелия опираются на сети грибных гиф — микроскопических нитевидных волокон, которые переплетаются и выделяют полимеры для связывания частиц субстрата. В земных демонстрациях композиты из мицелия, изготовленные из сельскохозяйственных отходов, отличаются малым весом, теплоизоляционными свойствами и огнестойкостью; их можно выращивать в определенных формах с относительно небольшими затратами энергии по сравнению с высокотемпературным спеканием или традиционным твердением бетона.

Для космических применений преимущества очевидны: грибы могут преобразовывать отходы в материал, сокращая логистику и замыкая циклы в системах жизнеобеспечения; рост может происходить при низких температурах по сравнению со спеканием; а клеточная структура мицелиальных композитов может обеспечить врожденные изоляционные свойства для терморегуляции. Кроме того, поскольку живые системы иногда могут самозалечивать мелкие трещины, биоматериалы предлагают способы обслуживания, которых нет у чисто инертных материалов.

Проект UNCG подчеркивает эти возможности, сохраняя при этом осторожность. Наиболее вероятными вариантами использования в ближайшей перспективе являются ненесущие конструкции: изоляция жилых помещений, внутренние панели для гашения радиации или защитное покрытие для заглубленных убежищ. Если прочность на сжатие и растяжение удастся улучшить с помощью добавок или последующей обработки, роль таких материалов в строительстве может расшириться, но этот вопрос остается открытым и будет изучен в текущих испытаниях.

Проблемы и нерешенные вопросы

Превращение многообещающей лабораторной демонстрации в готовый к полету строительный материал сталкивается со множеством препятствий. Луна и Марс подвергают организмы и материалы воздействию почти полного вакуума или разреженной атмосферы CO2, экстремальных температурных перепадов и ионизирующего излучения — это условия, сильно отличающиеся от влажного лабораторного стола. Для выращивания мицелия потребуются вода, контролируемая атмосфера и температура, совместимая с метаболизмом грибов, что влечет за собой энергетические и инженерные затраты.

Планетарная защита — еще одно ограничение: любой биологический подход должен исключать загрязнение внеземных сред земной жизнью. Это подразумевает четкие стратегии стерилизации или изоляции, которые команда UNCG планирует протестировать, стерилизуя выращенные композиты перед использованием. Также остаются открытыми вопросы о долговечности при ударах микрометеороидов, долговременной механической ползучести в условиях низкой гравитации и о том, как химия реголита (например, реактивные перхлораты на Марсе) влияет на рост и стабильность материала.

Наконец, имитация человеческих отходов является полезным тестовым сырьем на Земле, но реальные системы миссий потребуют надежных циклов переработки питательных веществ и строгого микробного контроля. Масштабирование от небольших кирпичей до многометровых структур ставит дополнительные инженерные задачи — каркас, соединение, герметизация и интеграция со шлюзами и энергосистемами, — которые должны быть решены на более поздних этапах разработки.

Путь к обитаемым жилищам

Работа UNCG–Luna Labs — это часть более широкой исследовательской программы, изучающей биологию как строительную технологию для космоса. Если испытания покажут стабильные механические характеристики и если инженерные решения обеспечат камеры роста, рециркуляцию воды и стерилизацию при приемлемых затратах массы и энергии, грибные композиты могут пополнить арсенал средств, который уже включает спекание реголита, 3D-печать связующими веществами, подобными цементу, и надувные модули.

Ближайшие вехи практичны и скромны: выявить устойчивые штаммы грибов, количественно оценить прочность на сжатие и ее вариативность, а также продемонстрировать процесс стерилизации и уплотнения. Успех на этих этапах оправдает проведение мелкомасштабных демонстраций на орбите или на Луне, где контролируемый рост и последующая обработка могут быть протестированы в соответствующих условиях. В долгосрочной перспективе проверенная цепочка биопроизводства может снизить зависимость от поставляемых с Земли материалов и открыть новые парадигмы проектирования укрытий, выращиваемых из местного грунта и переработанных отходов.

На данный момент ценность проекта в равной степени концептуальна и технична: он заставляет инженеров и биологов использовать общие единицы измерения, графики и модели отказов. Именно этот «перевод» — преобразование описаний биологических процессов в кривые сжатия и расчетные коэффициенты — определит, останутся ли грибы интригующей идеей или станут практическим инструментом для будущих исследователей.

Источники

• UNC Greensboro (UNCG) — объявление о проекте и краткое описание исследования
• Luna Labs — партнерство по тестированию материалов и инженерным разработкам
• NASA — финансирование исследований в области использования ресурсов на месте