Освоение Марса давно стало одной из ключевых целей международных космических программ. После первых шагов человека на Луне идея постоянного присутствия за пределами Земли получила стратегическое значение: обеспечить долгосрочное обитание в условиях другой планеты можно лишь при наличии устойчивой инфраструктуры. Марс, как наиболее похожая на Землю планета Солнечной системы по ряду характеристик, рассматривается как реальный кандидат для будущей колонии.
Однако создание марсианских поселений — это задача, требующая объединения знаний из биологии, инженерии, материаловедения, планетологии и робототехники. Существующие исследования стремятся ответить на главный вопрос: каким образом строить на Марсе, чтобы сделать присутствие человека безопасным и устойчивым?
Марс: трудная, но потенциально доступная среда
Современный Марс значительно отличается от своего далёкого прошлого. Научные данные показывают, что миллиарды лет назад у планеты была более плотная атмосфера и активный гидрологический цикл. Сейчас же условия крайне жёсткие:
- атмосферное давление составляет менее 1 % земного;
- воздух почти полностью состоит из углекислого газа;
- температура варьируется от –90 °C ночью до +20…+26 °C в наиболее тёплые периоды;
- поверхность подвергается постоянному воздействию ультрафиолетового излучения и космической радиации;
- кислород в атмосфере присутствует лишь в следовых количествах.
В таких условиях любое жилище должно выполнять три ключевые функции: защищать от радиации, обеспечивать стабильную температуру и сохранять пригодную для дыхания атмосферу. Простое сооружение стен здесь не подойдёт — требуется полноценная система жизнеобеспечения.
Почему невозможно строить только с использованием земных материалов
Доставка строительных материалов с Земли — один из самых дорогих аспектов любой внеземной миссии. Каждый килограмм груза стоит огромных средств, а постройка полноценных сооружений требовала бы запусков, многократно превосходящих по стоимости современные космические программы.
Поэтому космические агентства ориентируются на технологию ISRU (In-Situ Resource Utilization) — использование ресурсов, доступных на месте. В случае Марса это прежде всего реголит, то есть местный грунт. Но реголит не способен обеспечить строительную прочность без дополнительных связующих веществ. Эта проблема привела исследователей к биоминерализации — естественному процессу, при котором микроорганизмы создают минеральные структуры.
Как марсианские исследования привели к биоцементации
Образцы грунта, собранные марсоходом NASA Perseverance в кратере Джезеро, предоставили важные данные о составе марсианского реголита. Учёные рассматривают эти образцы как потенциальный источник информации о древней жизни, однако химический и минеральный состав также помогает оценить пригодность грунта для строительных технологий.
Одним из направлений исследований стала микробная минерализация — способность некоторых микроорганизмов создавать кристаллические структуры. Этот процесс активно изучается американскими и европейскими исследовательскими центрами. В журнале Frontiers in Microbiology была опубликована работа, рассматривающая возможность использования микробных культур для формирования прочных строительных материалов из марсианского реголита.
Микроорганизмы как строительные «фабрики»
Биоминерализация на Земле играет огромную роль в формировании пород, почв и даже рифов. Многие микроорганизмы способны:
- выделять минералы, такие как кальцит,
- образовывать устойчивые структуры,
- адаптироваться к экстремальным условиям.
Исследователи изучили несколько видов, наиболее перспективных для марсианской среды.
1. Sporosarcina pasteurii — бактерия, производящая кальцийкарбонат
Этот микроорганизм известен способностью к уреолизу — разложению мочевины с выделением карбоната, который затем формирует кристаллы карбоната кальция. По сути, бактерия создаёт цементоподобный материал при комнатной температуре.
2. Chroococcidiopsis — цианобактерия, выносливая к экстремальным условиям
Этот микроорганизм способен:
- выживать при высокой радиации,
- переносить экстремальную засуху,
- адаптироваться к условиям, близким к марсианским.
Chroococcidiopsis выделяет кислород и образует защитные полимерные вещества, способные защищать другие бактерии.
Синергия микроорганизмов
Исследования показывают, что совместное применение этих двух видов может обеспечить:
- защиту Sporosarcina pasteurii от ультрафиолета благодаря полимерам Chroococcidiopsis;
- создание благоприятной среды для минерализации;
- ускоренное образование минерального каркаса в реголите;
- получение цементоподобного материала, подходящего для 3D-печати.
Такой подход может уменьшить потребность в доставке цемента и других связующих веществ на Марс.
3D-печать на Марсе: возможный путь к строительству будущего
Одно из основных направлений исследований — создание автономных строительных систем, которые смогут:
- использовать марсианский реголит,
- применять микробные культуры для его укрепления,
- печатать конструкции непосредственно на поверхности планеты.
Это потребует:
- устойчивых биоматериалов,
- адаптации процессов к низкой гравитации,
- автономной робототехники,
- длительных испытаний в аналоговых условиях.
Исследовательские проекты сегодня сосредоточены на вычислительном моделировании, тестировании культур в реголитных аналогах и разработке строительных алгоритмов.
Дополнительные преимущества микробных технологий
Помимо создания строительных материалов, микроорганизмы могут выполнять и другие функции.
Производство кислорода
Cyanobacteria выделяют кислород в процессе фотосинтеза. Их способность к выживанию делает их потенциальным элементом систем жизнеобеспечения.
Производство аммиака
Sporosarcina pasteurii выделяет аммиак как побочный продукт. Он может быть:
- элементом будущих замкнутых циклов земледелия,
- компонентом систем утилизации отходов.
Исследователи рассматривают возможность применения подобных процессов для поддержки будущих марсианских баз.
Почему разработка технологий идёт медленнее, чем хотелось бы
Хотя космические агентства планируют пилотируемые миссии к 2030–2040 годам, одна из ключевых проблем — отсутствие настоящих образцов марсианского грунта на Земле. Проект по доставке образцов NASA и ESA неоднократно переносился.
Для проверки строительных технологий учёные используют аналоги реголита, созданные из земных материалов. Однако они не полностью соответствуют условиям на Марсе.
Также необходимо:
- моделирование марсианской гравитации при отработке 3D-печати;
- создание автономных строительных платформ;
- разработка материалов, устойчивых к радиации;
- подтверждение биологической безопасности микроорганизмов в условиях Марса.
Будущее марсианского строительства: шаг за шагом
Работа над технологиями для строительства на Марсе продолжится в нескольких направлениях:
- астробиология — изучение устойчивости микроорганизмов и их метаболизма в марсианских условиях;
- материаловедение — поиск оптимальных сочетаний реголита и микробных культур;
- робототехника — создание строительных систем с автономным управлением;
- инженерия — разработка архитектуры марсианских баз.
Каждое новое исследование приближает человечество к тому моменту, когда первые базы на Марсе станут реальностью.