Lievito, gelatina e sabbia stampati in 3D resistono fino a 12 MPa e possono essere riciclati più volte sfruttando freddo e bassa pressione
LA NOTIZIA IN BREVE – Lievito, gelatina e sabbia potrebbero diventare gli ingredienti delle future costruzioni su Marte. Un gruppo della Hong Kong University of Science and Technology ha sviluppato un materiale “vivente” stampabile in 3D a -30 °C e a pressione molto bassa, sfruttando condizioni simili a quelle del Pianeta rosso. Il composto contiene Saccharomyces cerevisiae geneticamente modificato per produrre proteine adesive, gelatina e granuli minerali. Nei test ha raggiunto una resistenza paragonabile a quella di alcuni calcestruzzi leggeri e, dopo essere stato frantumato, reidratato e lavorato di nuovo, ha mantenuto quasi intatte le prestazioni per quattro cicli. Il limite, per ora, è evidente: gli esperimenti sono stati condotti con sabbia terrestre e su campioni di pochi centimetri. Restano da verificare regolite marziana, radiazioni, tenuta alla pressione e durata nel tempo. Ma il principio funziona: usare il freddo di Marte come parte del processo costruttivo.
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L’APPROFONDIMENTO – Le strutture che ospiteranno su Marte le future colonie di esploratori terrestri saranno costruite con lievito, gelatina e sabbia. È una delle possibilità aperte da uno studio della Hong Kong University of Science and Technology, dove un gruppo guidato da Ning Liu ha sviluppato un materiale “vivente” stampabile in 3D e capace di consolidarsi a temperature e pressioni vicine a quelle della superficie marziana. La miscela contiene Saccharomyces cerevisiae, il comune lievito utilizzato per pane, birra e vino, modificato geneticamente per produrre proteine adesive. A questo si aggiungono gelatina e granuli minerali. La formulazione migliore ha raggiunto una resistenza a compressione di circa 12 megapascal, un valore paragonabile a quello di alcuni calcestruzzi leggeri e sufficiente a indicare che il materiale può sopportare carichi strutturali significativi.
Lo studio, pubblicato su Chem Circularity, affronta un problema destinato a pesare su qualsiasi futura missione permanente: costruire su Marte senza dover spedire dalla Terra buona parte dell’edificio. Ogni chilogrammo trasportato nello spazio ha infatti un costo che pesa. Un habitat richiederebbe tonnellate di materiale, oltre alle apparecchiature necessarie per assemblarlo. Da qui l’interesse per la regolite marziana, la polvere e i frammenti di roccia che ricoprono il pianeta e che potrebbero diventare una materia prima disponibile direttamente sul posto.
Tra le tecniche studiate negli ultimi anni c’è la sinterizzazione, che porta i granuli a temperature molto elevate per farli aderire tra loro. Alcuni processi superano i 1.000 °C. Il metodo sperimentato a Hong Kong lavora invece a -30 °C, usando il congelamento dell’acqua e la successiva sublimazione per consolidare l’impasto.
L’idea nasce osservando la frutta liofilizzata
La liofilizzazione ha fornito il principio di partenza. L’acqua contenuta in un alimento viene congelata e poi eliminata a pressione ridotta: il ghiaccio passa direttamente allo stato di vapore e lascia una struttura secca, leggera e porosa. Jishen Qiu, ingegnere civile e coautore del lavoro, ha provato ad applicare lo stesso fenomeno a un materiale da costruzione. La miscela viene estrusa dalla stampante 3D. A bassa temperatura l’acqua congela; quando la pressione scende, una parte del ghiaccio sublima. Gelatina, cellule e granuli minerali restano legati tra loro e formano una struttura attraversata da minuscoli pori.
I test sono stati condotti in una camera ambientale a -30 °C e 0,01 atmosfere, circa 10 millibar. La pressione media sulla superficie marziana si colloca attorno ai 6 millibar, con variazioni dovute all’altitudine e alle stagioni.
Il campione realizzato misura circa 45 millimetri di altezza e 30 di larghezza. Le dimensioni sono da laboratorio, ma permettono di verificare se il materiale mantiene la forma durante la stampa e dopo la perdita dell’acqua. A 20 °C e 0,05 atmosfere il risultato è stato peggiore: l’acqua evaporava troppo rapidamente, nell’impasto comparivano bolle e la struttura diventava meno stabile. A -30 °C il passaggio dell’acqua avveniva più gradualmente. Il freddo marziano, almeno in questa fase del processo, può quindi essere utilizzato direttamente nella fabbricazione.
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Il lievito rafforza l’impasto
Le cellule di Saccharomyces cerevisiae sono state ingegnerizzate per esporre sulla superficie proteine capaci di migliorare l’adesione tra i diversi componenti. Alcune delle soluzioni sperimentate derivano da proteine simili a quelle che consentono a cozze e altri mitili di aderire con grande forza alle superfici. La gelatina forma la matrice all’interno della quale rimangono inglobati sia i granuli sia le cellule.
Nelle prove meccaniche l’effetto del lievito è stato evidente. La resistenza a compressione è aumentata fino al 170% rispetto al campione di controllo privo della componente biologica. La miscela più efficace si è attestata attorno ai 12 MPa. Il valore è confrontabile, come ordine di grandezza, con quello di alcuni materiali cementizi leggeri. Densità, composizione e condizioni di impiego sono però differenti, quindi il dato non consente di equiparare direttamente il nuovo composto a un calcestruzzo utilizzato sulla Terra.
Su Marte la gravità è circa il 38% di quella terrestre e il peso proprio di una costruzione sarebbe inferiore. Per un habitat abitato contano però anche altri carichi: la pressione interna necessaria per mantenere un’atmosfera respirabile, le forti variazioni di temperatura, le radiazioni e la durata della struttura per anni.
GTnews Domande e risposte Cinque curiosità su Marte: dal peso degli astronauti ai tramonti azzurri, fino a ciò che accadrebbe senza una tuta.
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Gravità
Quanto peserebbe una persona di 80 chili su Marte?
Avvertirebbe un peso equivalente a circa 30 chili sulla Terra. La gravità marziana è circa il 38% di quella terrestre. La massa della persona resterebbe sempre di 80 chilogrammi, ma la forza con cui verrebbe attirata verso il suolo sarebbe molto più bassa.
Per gli astronauti significherebbe riuscire a sollevare e spostare oggetti con maggiore facilità, anche se mesi o anni trascorsi con una gravità ridotta potrebbero avere conseguenze su muscoli e ossa che devono ancora essere comprese pienamente.
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Tempo
Quanto dura un giorno su Marte?
Quasi quanto sulla Terra: 24 ore, 39 minuti e 35 secondi. Il giorno marziano viene chiamato sol e dura soltanto una quarantina di minuti in più rispetto al nostro.
L’anno è invece molto più lungo. Marte impiega circa 687 giorni terrestri per completare un’orbita intorno al Sole, perciò anche le sue stagioni durano molto più delle nostre.
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Atmosfera
Che cosa succederebbe a un essere umano su Marte senza tuta?
Perderebbe rapidamente conoscenza per la mancanza di ossigeno e per la pressione estremamente bassa. L’atmosfera marziana è molto rarefatta ed è composta quasi interamente da anidride carbonica. Non può essere respirata.
Il corpo non esploderebbe, come accade in alcuni film. La pressione è però così bassa da rendere impossibile la sopravvivenza senza un sistema pressurizzato. Anche freddo e radiazioni rappresenterebbero rischi aggiuntivi.
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Cielo marziano
Perché su Marte i tramonti possono apparire azzurri?
È un effetto prodotto soprattutto dalla polvere sospesa nell’atmosfera. Durante il giorno il cielo marziano tende ad assumere tonalità rossastre o giallo-brune. Vicino al Sole, durante alba e tramonto, può invece comparire una caratteristica luce azzurra.
Le minuscole particelle di polvere marziana diffondono le diverse lunghezze d’onda della luce in modo diverso rispetto all’atmosfera terrestre. Il risultato è quasi l’inverso dello spettacolo a cui siamo abituati sulla Terra, dove spesso il cielo è blu e i tramonti diventano rossi.
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Suoni
Su Marte riusciremmo a sentire qualcuno parlare?
Sì, ma la voce arriverebbe molto più debole e diversa da quella che conosciamo. L’atmosfera di Marte è circa cento volte meno densa di quella terrestre e trasmette il suono con maggiore difficoltà.
Le misurazioni effettuate dai microfoni del rover Perseverance hanno inoltre mostrato che le frequenze acute si attenuano più rapidamente di quelle basse. All’aperto, quindi, una conversazione sarebbe udibile soltanto a distanza ridotta e avrebbe un timbro insolito.
Dopo quattro ricicli resiste ancora
Il gruppo ha verificato anche la possibilità di recuperare il materiale dopo l’indurimento. I campioni sono stati frantumati, aggiungendo nuovamente acqua e calore fino a ottenere un impasto lavorabile. Dopo la nuova solidificazione il procedimento è stato ripetuto. In totale, quattro cicli. Alla quarta lavorazione la resistenza a compressione era ancora vicina a 11,8 MPa. Le analisi hanno inoltre mostrato la presenza di cellule di lievito vitali.
Per una base marziana tale caratteristica potrebbe ridurre il fabbisogno di nuove materie prime. Un elemento difettoso, o uno scarto di produzione, potrebbero essere frantumati e rimessi nel ciclo. Gli autori hanno stimato anche l’energia necessaria alla lavorazione: circa 0,02-0,12 gigajoule per metro cubo. Il valore risulta diverse decine di volte inferiore a quello dei processi di sinterizzazione utilizzati nello studio come termine di confronto.
Il calcolo riguarda però la produzione del materiale. Un impianto reale dovrebbe alimentare stampanti, bioreattori, sistemi per il recupero dell’acqua e apparecchiature di movimentazione. Il lievito avrebbe bisogno di nutrienti e di condizioni controllate durante la crescita. Il bilancio energetico dell’intera filiera sarà quindi uno dei parametri da misurare prima di poter valutare il vantaggio effettivo.
La regolite marziana deve ancora essere provata
La parte minerale utilizzata negli esperimenti è sabbia terrestre. Il passaggio alla regolite rappresenterà uno dei test più importanti che attendono il materiale. Granulometria, composizione chimica e presenza di sali possono modificare il comportamento dell’impasto, l’adesione e la resistenza finale. Le prossime prove dovranno utilizzare simulanti capaci di riprodurre in maniera più fedele il terreno marziano.
Anche la gelatina di origine animale pone un ulteriore problema pratico. La miscela con le migliori prestazioni ne contiene una quantità significativa e, allo stato attuale, dovrebbe essere trasportata dalla Terra oppure prodotta direttamente durante la missione. Il gruppo ha già sperimentato formulazioni senza gelatina, ma la resistenza ottenuta è inferiore. La quantità di materia da spedire dalla Terra dipenderà quindi anche dalla capacità di sostituire o produrre localmente il legante.
Restano da misurare altre proprietà: permeabilità ai gas, isolamento termico, resistenza alle radiazioni, comportamento sotto pressione, stabilità dopo migliaia di cicli termici e durata nel tempo. Un eventuale habitat potrebbe utilizzare il materiale stampato come componente strutturale, affiancandolo a membrane per trattenere l’atmosfera interna e a sistemi di schermatura contro le radiazioni.
Il problema della contaminazione biologica
Portare cellule vive su Marte introduce anche una questione di planetary protection. Le missioni planetarie devono limitare il trasferimento di organismi terrestri verso ambienti nei quali si cercano eventuali tracce di vita extraterrestre. Una contaminazione potrebbe complicare le analisi future e rendere più difficile stabilire l’origine di eventuali segnali biologici. In questo caso si tratterebbe inoltre di lieviti geneticamente modificati.
L’uso del materiale richiederebbe perciò sistemi capaci di confinare le cellule durante produzione, impiego, riciclo e smaltimento, ancor più se l’ipotetica base marziana dovesse sorgere vicino ad aree considerate di particolare interesse astrobiologico.
Link e fonti
Lo studio originale, le informazioni scientifiche su Marte e i documenti utilizzati per verificare caratteristiche, limiti e possibili applicazioni del materiale “vivente”.
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Studio scientifico
Engineered living building material for low-energy construction on Mars
Lo studio originale descrive il materiale a base di lievito, gelatina e granuli minerali, i test di stampa 3D a bassa temperatura e pressione, le prove meccaniche e gli esperimenti di riciclo.
Consulta lo studio -
Fonte scientifica
Scientists want to 3D print houses on Mars with the help of yeast
La presentazione dello studio raccoglie i risultati principali, le condizioni sperimentali e le dichiarazioni dei ricercatori sulle possibili applicazioni e sui problemi ancora da risolvere.
Consulta la fonte -
Ente di ricerca italiano
Basta un poco di lievito per costruire su Marte
L’approfondimento ricostruisce il funzionamento del materiale e mette in evidenza i limiti dell’esperimento: dimensioni ridotte, uso di sabbia terrestre, presenza di gelatina e test ancora necessari.
Leggi l’approfondimento -
Dati planetari
Mars: Facts
La scheda NASA raccoglie i principali dati sul Pianeta rosso: atmosfera, temperature, durata del giorno e dell’anno, acqua, caratteristiche della superficie e condizioni ambientali.
Consulta i dati NASA -
Dati di missione
Mars 2020 Perseverance – Quick Facts
Dati di riferimento sulla gravità marziana, pari a circa il 38% di quella terrestre, sulla pressione atmosferica, sulla temperatura e sulla durata del giorno marziano.
Consulta i dati -
Standard NASA
Implementing Planetary Protection Requirements for Space Flight
Lo standard definisce i requisiti di protezione planetaria destinati a limitare la contaminazione biologica dei corpi del Sistema solare durante le attività di esplorazione.
Consulta lo standard
Note per i lettori
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