Mars toprağına maya ve jelatin karıştırıldı: Kızıl Gezegen için hafif yapı malzemesi

Mars'ta bir üs kurmanın en pahalı kalemi, inşaat malzemesini oraya götürmek. Hong Kong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden (HKUST) araştırmacılar bu sorunu, gezegenin kendi toprağını bağlayıcı olarak çimento yerine biyolojik bir karışım kullanarak çözmeyi deniyor. Ekip, Mars yüzey malzemesini taklit eden bir toprak benzerini genetiği düzenlenmiş maya hücreleri ve jelatinle birleştirdi; ortaya çıkan hafif ve gözenekli blok, basınç altında yaklaşık 12 megapaskal dayanım gösterdi. Bu değer, Dünya'da düşük dayanımlı betonlar için beklenen aralığa denk geliyor.

Çimentonun yerine canlı bir bağlayıcı

Klasik betonda kum ve çakılı bir arada tutan şey çimentodur; çimento üretmek ise yüksek sıcaklıkta fırınlar, kireçtaşı ve bol su ister. Mars'ta bunların hiçbiri hazır değil. HKUST ekibi bu yüzden bağlayıcı görevini iki bileşene paylaştırdı: jelatin ve özel olarak tasarlanmış ekmek mayası, yani Saccharomyces cerevisiae.

Mayada iki genetik değişiklik yapıldı. Birincisi, hücrelerin birbirine daha sıkı tutunmasını sağlıyor; böylece karışımın içinde dağınık değil, ağ benzeri bir yapı kuruluyor. İkincisi daha ilginç: maya, midyelerin dalgalı kayalara yapışmasını sağlayan yapışkan proteinlere benzer proteinler üretir hâle getirildi. Midye proteinleri, ıslak ve tuzlu ortamda bile yüzeylere tutunabilmeleriyle biyomalzeme araştırmalarında uzun süredir ilgi görüyor. Jelatinle birlikte bu proteinler, toprak taneciklerinin arasında köprüler kurarak gevşek tozu katı bir kütleye dönüştürüyor.

Mars soğuğunda kürleme

Ekip malzemeyi oda sıcaklığında değil, Mars koşullarını kabaca yansıtan bir ortamda sertleştirdi. Karışım -55 °C'de 48 saat bekletildi. Bu süre içinde yapıdaki su önce dondu, ardından düşük basınçta doğrudan buharlaşarak uzaklaştı. Geriye toprak taneleri, jelatin ve maya proteinlerinden oluşan, içi boşluklu ama dayanıklı bir iskelet kaldı. Bu süreç dondurarak kurutma tekniğine benziyor ve Mars'ın ince atmosferinin dezavantajını avantaja çeviriyor: suyu uzaklaştırmak için ayrıca enerji harcamak gerekmiyor.

Mars'ın ortalama yüzey sıcaklığı -60 °C dolayında, yüzeydeki atmosfer basıncı ise Dünya'dakinin yaklaşık yüzde biri kadar. Laboratuvar koşulları bu ortamın tamamını değil, yalnızca sıcaklık ve düşük basınç bileşenini taklit ediyor.

Malzeme hem kalıba dökülerek hem de üç boyutlu yazıcıyla katman katman basılarak üretildi; araştırmacılara göre iki yöntemde de mekanik özellikler korundu. Bu esneklik önemli, çünkü Mars'ta ilk yapıların büyük ihtimalle insan eli değmeden, robotlar ve yazıcılar tarafından kurulması bekleniyor.

12 megapaskal ne kadar güçlü?

Ölçülen dayanım, yük taşıyan büyük yapılar için düşük ama bir iki katlı bir bina için yeterli düzeyde. Burada Mars'ın bir avantajı devreye giriyor: yüzey çekimi Dünya'nınkinin yaklaşık yüzde 38'i. Aynı malzemeden yapılmış bir duvar Mars'ta kendi ağırlığının ancak üçte biri kadarını taşımak zorunda kalıyor; bu da aynı dayanımla daha yüksek ya da daha ince duvarlı yapılar kurulabilmesi anlamına geliyor.

Yine de çekim avantajı tek başına yetmiyor. Mars'ta bir yaşam modülünün asıl zorlayıcı yükü çoğu zaman yukarıdan değil içeriden gelir: insanların nefes alabilmesi için modülün içi basınçlandırılmalıdır ve bu basınç duvarları dışarı doğru iter. Basınç dayanımı yüksek ama çekmeye zayıf malzemeler bu yüzden genellikle kalın toprak örtüleri ya da kubbe biçimli tasarımlarla birlikte düşünülüyor.

Gezegenin kendi malzemesini kullanma fikri, uzay mühendisliğinde "yerinde kaynak kullanımı" başlığı altında toplanıyor ve HKUST'un önerisi bu alandaki tek yaklaşım değil. Araştırmacılar yıllardır Mars toprağını erimiş kükürtle bağlayan kükürt betonu, toprağı lazer ya da mikrodalgayla eriterek kaynaştıran sinterleme yöntemleri ve bakterilerin kalsiyum karbonat çökeltmesine dayanan biyolojik çimentolar üzerinde çalışıyor. NASA da 2015-2019 arasında düzenlediği üç boyutlu baskılı yaşam alanı yarışmasıyla, yerel malzemeden yapı basabilen sistemlere ilgiyi artırmıştı.

Maya ve jelatinli karışımın bu adaylar arasındaki iddiası hafiflik ve düşük enerji ihtiyacı. Kükürt betonu kükürdün eritilmesini, sinterleme ise yüksek sıcaklıkları gerektiriyor. Biyolojik bağlayıcı ise soğuğu ve düşük basıncı kürleme sürecinin bir parçası olarak kullanıyor.

Cevap bekleyen sorular

• Uzun süreli dayanıklılık. Mars yüzeyi yoğun morötesi ışınıma ve kozmik radyasyona açık. Protein ve jelatin gibi organik bağlayıcıların bu koşullarda yıllar boyunca nasıl yaşlanacağı henüz bilinmiyor.
• Toz ve sıcaklık döngüleri. Gece ile gündüz arasındaki büyük sıcaklık farkları ve rüzgârla taşınan ince toz, gözenekli bir malzemeyi zamanla aşındırabilir.
• Hammadde zinciri. Toprak Mars'ta bulunuyor, ama maya kültürü ve jelatin bulunmuyor. Mayanın bir üste üretilebileceği düşünülse de jelatinin nereden geleceği, yöntemin gerçekten "yerinde" sayılıp sayılamayacağını belirleyecek.
• Gerçek toprak. Deneyler, Mars toprağını taklit eden yer malzemesiyle yapıldı. Gezegenin yüzeyinde bol bulunan ve kimyasal açıdan etkin perklorat tuzlarının biyolojik bağlayıcılarla nasıl etkileşeceği ayrıca sınanmalı.

Ekibin bir sonraki aşaması, daha büyük prototip bloklar üretmek ve malzemeyi radyasyon ile uzun süreli sıcaklık döngülerine maruz bırakan testlerden geçirmek. Mars'a insanlı bir görevin takvimi henüz belirsiz; ancak oraya gidildiğinde ilk evlerin büyük olasılıkla Dünya'dan taşınan parçalarla değil, gezegenin kendi tozundan yapılacağı konusunda mühendisler arasında geniş bir uzlaşı var.