Il lievito di birra è usato da millenni per fare pane, birra e vino. Ora c’è chi prova a impiegarlo anche come ingrediente di un materiale da costruzione pensato per Marte. È la strada esplorata da un gruppo di ricerca guidato da Ning Liu, della Hong Kong University of Science and Technology e primo autore di uno studio pubblicato ieri su Chem Circularity. Il materiale messo a punto è definito “vivente” perché contiene cellule di Saccharomyces cerevisiae – il comune lievito di birra – geneticamente modificate per produrre proteine adesive sulla loro superficie. A completare il composto ci sono gelatina e granuli minerali.
Su Marte, costruire non è proprio semplice: portare dalla Terra tutto il materiale necessario sarebbe costoso e poco pratico, e molte delle soluzioni studiate finora per utilizzare direttamente la regolite marziana prevedono processi ad alta temperatura, spesso superiori ai mille gradi. A suggerire una strada diversa è stata la frutta liofilizzata. Nella liofilizzazione, l’acqua viene prima congelata e poi eliminata, facendo passare il ghiaccio direttamente allo stato di vapore, lasciando una struttura secca e porosa. È proprio osservando come cambia la consistenza dei frutti dopo questo processo che Jishen Qiu, ingegnere civile e co-autore dello studio, ha avuto l’intuizione di provare a sfruttare condizioni simili anche nella produzione di un materiale da costruzione. Marte è molto freddo e la sua atmosfera è estremamente rarefatta: condizioni che, per certi aspetti, ricordano quelle della liofilizzazione. Il gruppo ha quindi provato a trasformare il freddo e la bassa pressione di Marte in un vantaggio.
A sinistra, il materiale da costruzione viene stampato in 3D in condizioni che simulano quelle marziane, a -30 °C e 0,01 atmosfere. A destra, un’immagine al microscopio mostra la struttura porosa del materiale, con i polimeri e le cellule di lievito evidenziati in giallo. Crediti: Ning Liu
La ricetta di questo nuovo materiale combina sabbia e un legante formato da gelatina e lievito. La gelatina crea una rete che tiene insieme i granuli e ospita le cellule di lievito, mentre le proteine prodotte dal lievito aiutano a rafforzare l’adesione tra il legante e i granuli solidi. Tra queste ci sono anche proteine derivate da quelle che le cozze e altri mitili usano per aderire saldamente alle rocce. La miscela viene caricata nella stampante 3D e, una volta depositata, viene esposta a basse temperature e bassa pressione. A questo punto, proprio come nella liofilizzazione, l’acqua solidifica e poi sublima, passando direttamente dal ghiaccio al vapore e lasciando dietro di sé una rete di minuscoli pori che dà origine a una struttura molto leggera.
In una camera ambientale capace di riprodurre temperature e pressioni molto basse – a 0,01 atmosfere e -30 °C – il gruppo è stato in grado di stampare una struttura grande più o meno quanto un tappo di sughero: 45 millimetri di altezza e circa 30 di larghezza. Le dimensioni sono ancora quelle di un modello da laboratorio, ma bastano a mostrare che il materiale può essere stampato mantenendo una struttura stabile.
Curiosamente, la struttura si è comportata meglio a -30 °C e 0,01 atmosfere che a 20 °C e 0,05 atmosfere. In quest’ultimo caso, la temperatura più alta faceva vaporizzare l’acqua troppo rapidamente, con la formazione di bolle che rendevano il materiale meno stabile. Anche le prove meccaniche hanno dato risultati incoraggianti: la formulazione migliore ha raggiunto una resistenza a compressione di circa 12 megapascal, un valore confrontabile con quello di calcestruzzi leggeri di densità simile, pur mantenendo una buona resistenza alla flessione. A contribuire a queste proprietà è anche il lievito: la sua presenza ha aumentato la resistenza a compressione del 170 per cento rispetto al controllo privo della componente biologica.
In un ambiente dove ogni risorsa conta, anche la possibilità di riutilizzare ciò che si è già costruito diventa importante. I ricercatori hanno frantumato i campioni già induriti, li hanno reidratati e riscaldati fino a ottenere di nuovo un impasto lavorabile, poi li hanno fatti solidificare nelle stesse condizioni. Dopo quattro cicli di riciclo, i nuovi campioni conservavano sostanzialmente le loro proprietà meccaniche e le cellule di lievito risultavano ancora vitali. Sul fronte energetico, gli autori stimano che produrre il nuovo materiale richieda diverse decine di volte meno energia rispetto ai processi di sinterizzazione presi come riferimento.
Il confronto va però letto con cautela, poiché si tratta di una stima limitata alla lavorazione del materiale e non di un bilancio energetico completo di un possibile cantiere marziano. Dal conteggio restano fuori, per esempio, l’energia necessaria per coltivare il lievito, produrre o trasportare i nutrienti, mantenere pressurizzati e alla giusta temperatura i bioreattori usati per produrre il legante, recuperare l’acqua e gestire le operazioni di stampa. Senza contare che il cantiere marziano, per ora, esiste solo sulla Terra. I test sono stati eseguiti usando sabbia terrestre, non vera regolite marziana, e la formulazione con le prestazioni migliori contiene ancora gelatina di origine animale, quindi un ingrediente che dovrebbe essere trasportato dalla Terra. È stata testata anche una versione priva di gelatina, ma con prestazioni meccaniche inferiori. Restano inoltre da verificare aspetti fondamentali come permeabilità, tenuta alla pressione, resistenza alle radiazioni e durabilità a lungo termine. Il materiale, da solo, non basterebbe quindi a realizzare un habitat, ma potrebbe diventare una componente strutturale da integrare con membrane pressurizzate, sistemi di protezione dalle radiazioni e altre tecnologie.
Il passo successivo sarà capire se questo materiale potrà davvero funzionare fuori dal laboratorio e su scala più grande. Per ora, il risultato più interessante è forse un altro: mostrare che condizioni considerate solitamente ostili, come il freddo e la bassa pressione di Marte, potrebbero diventare parte del processo, invece di essere soltanto ostacoli da superare.
Per saperne di più:
- Leggi su Chem Circularity l’articolo “Engineered living building material for low-energy construction on Mars”, di Ning Liu, Wenwei Huang, Shing Chi Lam, Qikun Yi, Chaoyu Dou, Yihong Tang, Shaofeng Qin Yiwei Weng Fei Sun e Jishen Qiu