你身上的血,竟是火星上蓋房子最划算的原料?

2021年09月21日10:20

  以下文章來源於科研圈,作者科研圈

  使用模擬的火星土壤(左)和月球土壤(右)合成的材料。(圖片來源:Dr。 Aled Roberts | Research Fellow Future Biomanufacturing Research Hub Manchester Institute of Biotechnology)

  根據研究團隊的計算,一個宇航員每週捐獻血漿兩次,可製成一塊“標準紅磚”,在為期兩年的火星任務期間可以擴建出再容納一個宇航員的空間。

  編譯 董聿恒 戚譯引

  據估計,將一塊磚運送到火星的花費大約為兩百萬美元,這使得未來在那裡建造殖民基地的成本讓人望而卻步。近日,英國曼徹斯特大學(University of Manchester)的科學家們的一項新研究或許具有解決這個問題的潛力:使用外星球的土壤和人類的血液、汗液與淚水,製造一種類似混凝土的建材。

  該團隊研究發現,存在於人類血液中的血清蛋白和存在於尿液、汗液或眼淚中的尿素結合後,可以將模擬的月球或火星土壤粘合起來,製造出一種比普通混凝土強度更高的材料。這種材料可以完美勝任地外建築的建材。

  不攜帶建築材料登陸火星,只能就地取材去修建建築和庇護所,這種方式被稱為“就地資源利用”(in-situ resource utilisation ,簡稱 ISRU)。該方法的關鍵在於如何利用鬆散的岩石和火星表面的土壤(又叫風化層),以及珍稀的水儲備。然而,有一種實際上存在於任何一次載人任務中的資源卻長期以來都被忽視了,那就是宇航員們本身。

  在 9 月 10 日在線發表於 Materials Today Bio 期刊的一篇論文中,科學家們實驗證明,大量存在於人類血漿中的人血清白蛋白(HSA)可以作為一種粘合劑,將模擬的月壤和火星土壤製成一種類似混凝土的材料。得到的這種新材料被命名為 AstroCrete,使用不同配方得出的抗壓強度有差異,最高可達 25 Mpa,與常見混凝土的 20-32 Mpa 大致相當。

  其實使用牛血清白蛋白也是可以的,但額外將牛送到火星不太划算。

  科學家們還發現,加入尿素(一種人體通過尿液、汗水和眼淚排出的代謝廢物)可以將抗壓強度進一步提高 300% 以上,性能最好的材料的抗壓強度接近 40 Mpa,大大強於普通的混凝土。研究參與者之一、來自曼徹斯特大學的 Aled Roberts 博士表示,與其他許多計劃應用在月球和火星上的建造技術相比,這項新技術具有相當明顯的優勢。

  “科學家們一直在努力開發可行的技術來在火星表面生產類似混凝土的材料,但是我們卻從未想到,答案可能一直在我們自己體內,”他說。

  材料製成後需要在 4 °C 保存,48 小時內使用完畢,在 65°C 下放置一夜即可固化。該研究還證明,這樣合成的材料具備應用於 3D 打印的潛力。由於缺乏合適的 3D 打印設備,研究團隊將材料裝進一支注射器,模擬了 3D 打印的過程。

  模擬火星土壤合成材料 3D 打印效果圖。圖片來源:Dr。 Aled Roberts | Research Fellow Future Biomanufacturing Research Hub Manchester Institute of Biotechnology

  科學家們計算得出,一升人類血漿所包含的血清蛋白可製造約 300 克此類地外風化層生物復合材料(extraterrestrial regolith biocomposites)。如果每週獻血兩次,每個宇航員每月可以製造約 2.5 千克材料,相當於一塊標準的粘土紅磚。在為期兩年的火星任務期間,六名宇航員總計可以生產超過 500 公斤的高強度 AstroCrete。如果將它們用作砂漿,來粘合沙袋或者用風化層材料燒製成的磚塊,那麼每個人生產的 AstroCrete 都足以為營地擴建出容納一名新宇航員的空間,也就是說一次任務可以將整體的居住空間翻一番。

  但需要補充的是,儘管和捐獻全血相比,捐獻血漿通常允許更短的時間間隔,但是根據英國的獻血指導標準,符合條件的健康人每兩週可捐獻一次血漿,每次捐獻一袋(560ml)。

  研究團隊還指出,這項技術可能在地球上也能找到用武之地。混凝土是全球經濟發展的一塊基石,其二氧化碳排放佔據人類來源排放量的 8%。混凝土的碳排放有一半來自於將碳酸鈣熱分解製造氧化鈣的過程,後者是混凝土的主要原料之一。因此,研究團隊主張利用合成蛋白作為粘合劑,例如使用合成的蛛絲蛋白。

  動物血液在歷史上曾經被用作砂漿的粘合劑。“讓人興奮的是,太空時代的一項重大挑戰可能受到來自於中世紀的啟發而找到瞭解決方案,”Roberts 說。

  科學家們進一步研究了這種結合的內在機理,發現人血清蛋白會變性,或者說“凝結”,形成一種具有 β-摺疊(beta sheets)相互作用的二級結構,將材料緊緊地結合在一起。

  研究團隊也承認,未來還需要進行大量研究以評估這一概念的可行性,例如該材料在火星環境條件下的耐久性。該研究中的實驗都在室溫下進行,而火星晝夜溫差極大,高溫約 20 °C,低溫可達 −153 °C。火星環境低氣壓、強輻射的特點也要納入考慮。

  此外,還需要研究在低重力環境中持續捐獻血漿的長期健康影響,以及通過實驗評估在不影響宇航員健康的情況下能夠提取多少血清蛋白。研究團隊相信這一技術有望在火星基地建設中得到重要的應用,但是在更遙遠的未來,植物來源蛋白等其他更好的材料將取而代之。

  參考來源:

  https://www.eurekalert.org/news-releases/928211

  本文轉載自公眾號“科研圈”(ID: keyanquan)

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