Концепция под названием «Саморастущие строительные блоки с поддержкой биоминерализации для обустройства среды обитания на Марсе» была предложена доктором Конгруи Грейс Джин, доцентом кафедры гражданской и экологической инженерии в Университете Небраски-Линкольн. Ее предложение попало в число отобранных в рамках конкурса NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) для детальной проработки и получило грант в размере 12 500 долларов.
С 1990-х годов было разработано несколько концепций возведения марсианской базы. Одна из первых предполагала использование надувных модулей. Их можно было компактно упаковать и доставить на пилотируемом корабле вместе с астронавтами. Но физические конструкции, используемые для оснащения надувных модулей (переходные шлюзы и системы очистки воздуха другое оборудование), не могут быть доставлены пилотируемым космическим кораблем и требуют второго — грузового — корабля. При этом возрастают риски в случае, если с ним что-то пойдет не по плану во время перелета или посадки. Это логистическая проблема для миссий, которая помимо рисков резко увеличивает затраты на запуск.
Другая идея заключается в использовании местных ресурсов для уменьшения количества материалов, которые необходимо транспортировать. Она стала основной концепции Mars Direct, предложенной в 1991 году, а также программы NASA «Путешествие на Марс», запущенной в 2010 году. Обе идеи предполагают использование местного реголита для создания строительных материалов и обнаруженных запасов водяного льда для потребления космонавтами, орошения, а также для создания пропеллента и газообразного кислорода. Но и здесь требуется доставка оборудования, например, роботизированных 3D-принтеров, на Марс. Кроме того, во многих проектах 3D-печатных жилищ по-прежнему требуются надувные модули, которые служат «скелетом» для 3D-печатных конструкций.
В своем предложении доктор Джин предполагает, что вместо того, чтобы отправлять сборные элементы или оборудование на Марс, строительство на месте может происходить с использованием цианобактерий и грибов в качестве строительных агентов. В интервью Universe Today она рассказала, что последние несколько лет работала над самовосстанавливающимся бетоном. Когда в бетоне образуются трещины, используются бактерии или грибки, чтобы заставить биоминералы залечить трещины. Эту технологию можно использовать и на Марсе.
Ключом является биоминерализация — процесс, при котором бактерии и споры могут собирать минералы, такие как карбонат кальция (CaCO3), также известный как известняк. Ученые знали, что на Марсе есть известняк и другие карбонаты — это продемонстрировал посадочный модуль Pheonix Mars Lander, обнаруживший следы CaCO3 на месте посадки в 2008 году. Находка подтвердилась последующим анализом проб, проведенным марсоходами Spirit и Opportunity, и картографированием минералов.
Согласно предложению доктора Джин, будущие миссии могут быть оснащены «инструментами синтетической биологии» для создания синтетических систем лишайников (диазотрофные цианобактерии и нитчатые грибы).
Они превратят CaCO3 в обильные биополимеры, которые можно будет комбинировать с марсианским реголитом для «выращивания» строительных материалов. Они будут работать как катализатор, способствующий образованию карбоната кальция, а эти кристаллы карбоната кальция будут работать как клей, связывающий частицы марсианской почвы вместе.
В этой предлагаемой автономной системе цианобактерии и мицелиальные грибы выполняют разные, но взаимодополняющие функции. Цианобактерии отвечают за захват углекислого газа и преобразование его в ионы карбоната, обеспечение кислородом и органическими соединениями для поддержки нитчатых грибов. Грибы ответственны за связывание ионов кальция с клеточными стенками грибов и служат местами образования островков отложений карбоната кальция. Они также помогают выживанию и росту цианобактерий, обеспечивая их дополнительным углекислым газом и снижая их окислительный стресс. Кроме того, цианобактерии и грибы выделяют «внеклеточные полимерные вещества», которые усиливают сцепление между частицами реголита и биополимерами и между осажденными частицами.
Еще одно преимущество заключается в том, что эти строительные материалы будут самовосстанавливающимися.
Из-за атмосферы с низким давлением, радиации и экстремальных температур будущие миссии должны будут использовать фотобиореактор. В этом биореакторе будут расти культуры бактерий и лишайников и происходить процесс сборки. В конечном счете, предложение предусматривает биореакторы, производящие кирпичи. Что касается скорости производства, необходимы дополнительные исследования.
Биоминерализацию исследователи изучают в течение многих лет. Но предложение Джин инновационное по двум причинам. Во-первых, это первый проект, в котором мицелиальные грибы рассматриваются как производители биоминералов, а не бактерии. Во-вторых, в этом проекте впервые используется технология самовыращивания путем создания синтетической системы лишайников и использования симбиотических взаимодействий между фотоавтотрофными цианобактериями и гетеротрофными нитчатыми грибами. Фотоавтотрофы используют солнечный свет для превращения неорганического углерода в органические материалы (в данном случае в органический углерод). Ни одна из исследованных до сих пор практик самовыращивания не была полностью автономной, поскольку они, как правило, ограничивались одним видом или штаммом гетеротрофов, зависящих от постоянного внешнего поступления органического углерода.
Эта технология может найти применение и за пределами исследования космоса. Помимо строительства жилых помещений на Марсе, эта технология также может произвести революцию в строительстве на Земле. В регионах, пострадавших от войн, стихийных бедствий и изменения климата, эта автономная саморазвивающаяся технология может «лечить» поврежденные строения и строить новую инфраструктуру таким образом, чтобы иметь отрицательный углеродный след. Этот процесс основан на улавливании CO2 из атмосферы, что имеет значение для глобальных усилий по восстановлению климата.
