Các nhà khoa học tạo ra "Gạch sống" để xây nhà trên sao Hỏa
Tác giả: Jennifer Nichols, Đại học Texas A&M
Một bước đột phá mới trong kỹ thuật sinh học có thể đưa môi trường sống trên sao Hỏa đến gần hơn với thực tế, không phải bằng cách vận chuyển vật liệu từ Trái đất, mà bằng cách trồng chúng từ chính đất của hành tinh này. Nguồn: Shutterstock
Các nhà khoa học đã phát triển các vật liệu sống biến bụi sao Hỏa thành các cấu trúc bằng cách sử dụng địa y tổng hợp. Sáng kiến này cho phép xây dựng sao Hỏa tự động.
Sống trên sao Hỏa từ lâu đã thu hút trí tưởng tượng, thường được mô tả là một mục tiêu xa vời bắt nguồn từ khoa học viễn tưởng. Tuy nhiên, với nhiều sứ mệnh thành công đến hành tinh này trong 50 năm qua, việc biến tầm nhìn này thành hiện thực dường như ngày càng nằm trong tầm tay.
Tuy nhiên, việc thuộc địa hóa sao Hỏa không chỉ đơn thuần là thực hiện chuyến đi. Một trong những thách thức quan trọng nhất nằm ở việc xây dựng các tòa nhà cách xa Trái đất. Việc phóng tàu vũ trụ chứa đầy vật liệu xây dựng nặng không hiệu quả về mặt chi phí cũng như không bền vững. Điều này đặt ra một câu hỏi quan trọng: làm thế nào chúng ta có thể xây dựng chỉ bằng những gì sao Hỏa cung cấp?
Tiến sĩ Congrui Grace Jin từ Đại học Texas A&M có thể đã tìm ra một giải pháp đầy hứa hẹn.
Làm việc với các cộng sự tại Đại học Nebraska-Lincoln, Jin đã dành nhiều năm nghiên cứu cách tạo ra vật liệu sống được chế tạo thông qua sản xuất sinh học. Họ đã cùng nhau phát triển một hệ thống địa y tổng hợp có khả năng sản xuất vật liệu xây dựng độc lập, không cần sự can thiệp của con người.
Nghiên cứu mới nhất của họ, được hỗ trợ bởi chương trình Khái niệm tiên tiến sáng tạo của NASA và được giới thiệu trên Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật sản xuất, khám phá cách hệ thống này có thể được sử dụng để xây dựng các công trình trên sao Hỏa bằng cách sử dụng regolith cục bộ—hỗn hợp bụi, cát và đá của hành tinh.
Cách mạng hóa công trình xây dựng ngoài Trái đất
Bước đột phá này mang đến một cách tiếp cận mang tính chuyển đổi đối với công trình xây dựng ngoài Trái đất, cho phép tạo ra các công trình trong môi trường khắc nghiệt bằng cách sử dụng các vật liệu địa phương hạn chế.
Jin cho biết "Chúng ta có thể xây dựng một cộng đồng tổng hợp bằng cách mô phỏng địa y tự nhiên". “Chúng tôi đã phát triển một phương pháp để tạo ra địa y tổng hợp nhằm tạo ra vật liệu sinh học giúp kết dính các hạt regolith trên sao Hỏa vào các cấu trúc. Sau đó, thông qua in 3D, có thể chế tạo nhiều loại cấu trúc, chẳng hạn như tòa nhà, nhà ở và đồ nội thất.”
Các nhà nghiên cứu khác đã khám phá các chiến lược khác nhau để liên kết regolith trên sao Hỏa, bao gồm các phương pháp dựa trên hợp chất magiê, lưu huỳnh và geopolymer. Tuy nhiên, mỗi kỹ thuật này đều phụ thuộc rất nhiều vào sức lao động của con người, khiến chúng trở nên không thực tế do số lượng nhân sự có hạn trên sao Hỏa.
Một môi trường sống tổng hợp có thể được xây dựng với sự trợ giúp của công nghệ tự phát triển, khai thác các nguồn tài nguyên và vi khuẩn tại địa phương để tự động hình thành các cấu trúc trên Hành tinh Đỏ. Nguồn: Kaitlyn Johnson/Texas A&M Engineering
Một giải pháp thay thế là sử dụng các hệ thống vi khuẩn tự phát triển. Những cải tiến trong lĩnh vực này bao gồm quá trình khoáng hóa sinh học của vi khuẩn để biến cát thành khối xây rắn, sử dụng vi khuẩn phân giải nước tiểu để sản xuất canxi cacbonat để tạo thành gạch và nghiên cứu của NASA về sợi nấm như một chất kết dính tự nhiên.
Mặc dù công nghệ tự phát triển nhờ vi khuẩn rất hứa hẹn, nhưng các phương pháp hiện tại không hoàn toàn tự chủ vì các vi khuẩn được sử dụng chỉ giới hạn ở một loài hoặc một chủng, do đó khả năng sống sót của chúng đòi hỏi phải cung cấp chất dinh dưỡng liên tục, nghĩa là cần có sự can thiệp từ bên ngoài. Một lần nữa, tình trạng thiếu nhân lực trên sao Hỏa khiến điều này trở nên khó khăn.
Cộng đồng tổng hợp đa loài
Để giải quyết vấn đề này, nhóm của Jin đã phát triển một công nghệ tự phát triển hoàn toàn tự chủ bằng cách thiết kế một cộng đồng tổng hợp tận dụng những lợi thế của nhiều loài. Hệ thống này loại bỏ nhu cầu cung cấp chất dinh dưỡng từ bên ngoài.
Thiết kế sử dụng nấm sợi dị dưỡng làm vật liệu liên kết vì chúng có thể thúc đẩy lượng lớn khoáng sinh học và sống sót trong điều kiện khắc nghiệt tốt hơn nhiều so với vi khuẩn dị dưỡng. Những loại nấm này được ghép nối với vi khuẩn lam quang tự dưỡng diazotrophic để tạo ra hệ thống địa y tổng hợp.
Quan sát dưới kính hiển vi của hệ thống địa y tổng hợp, trong đó các tế bào huỳnh quang màu đỏ là tế bào vi khuẩn lam và các tế bào không huỳnh quang là tế bào nấm. Nguồn: Lịch sự của Tiến sĩ Congrui Grace Jin
Nó hoạt động như thế nào? Vi khuẩn lam diazotrophic cố định carbon dioxide và dinitrogen từ khí quyển và chuyển đổi chúng thành oxy và chất dinh dưỡng hữu cơ để giúp nấm sợi tồn tại và phát triển và tăng nồng độ ion cacbonat thông qua các hoạt động quang hợp. Nấm sợi liên kết các ion kim loại vào thành tế bào nấm và đóng vai trò là nơi hình thành hạt nhân để sản xuất khoáng sinh học, cũng như tăng cường sự phát triển của vi khuẩn lam bằng cách cung cấp cho chúng nước, khoáng chất và carbon dioxide. Cả hai thành phần đều tiết ra các polyme sinh học giúp tăng cường độ bám dính và sự gắn kết giữa regolith trên sao Hỏa và các hạt kết tủa để tạo thành một khối hợp nhất.
Hệ thống phát triển chỉ với chất mô phỏng regolith trên sao Hỏa, không khí, ánh sáng và môi trường lỏng vô cơ. Nói cách khác, không cần nhân lực.
“Tiềm năng của công nghệ tự phát triển này trong việc cho phép thám hiểm và thuộc địa hóa ngoài trái đất trong thời gian dài là rất lớn”, Jin tuyên bố.
Bước tiếp theo của dự án, hiện đang được tiến hành, là tạo ra mực regolith để in các cấu trúc sinh học bằng kỹ thuật in 3D viết mực trực tiếp.
Tài liệu tham khảo: “Sản xuất sinh học các vật liệu sống được thiết kế để xây dựng trên sao Hỏa: Thiết kế cộng đồng tổng hợp” của Nisha Rokaya, Erin C. Carr, Richard A. Wilson và Congrui Jin, ngày 23 tháng 6 năm 2025, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật Sản xuất.
DOI: 10.1115/1.4068792
Nguồn tài trợ cho nghiên cứu này do Trạm Thí nghiệm Kỹ thuật Texas A&M (TEES), cơ quan nghiên cứu chính thức của Texas A&M Engineering, quản lý.
