Đột phá VLXD ngoài Trái Đất từ gạch vi sinh từ regolith và vi khuẩn đất

Việc thiết lập các cơ sở lâu dài trên Mặt Trăng là bước cần thiết trong lộ trình mở rộng hoạt động không gian của con người. Tuy nhiên, môi trường phi truyền thống với biên độ nhiệt lớn, bức xạ vũ trụ, thiên thạch siêu nhỏ và chân không đặt ra yêu cầu khắt khe về vật liệu xây dựng: phải vừa bền cơ học, vừa thích ứng với điều kiện khắc nghiệt, lại tiết kiệm chi phí vận chuyển từ Trái Đất.

Một nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học Ấn Độ (IISc) đã phát triển một giải pháp sản xuất vật liệu xây dựng tại chỗ, sử dụng regolith - lớp bụi và đá vụn trên bề mặt Mặt Trăng kết hợp với kỹ thuật vi sinh vật học. Trọng tâm của nghiên cứu là khai thác khả năng kết tủa sinh học canxi cacbonat (MICP – Microbially Induced Calcite Precipitation) của vi khuẩn Sporosarcina pasteurii, một chủng vi khuẩn có khả năng chuyển hóa urê và ion canxi thành CaCO_₃, giúp liên kết các hạt vật liệu rời.

Cấu trúc gạch sinh học được tăng cường bằng guar gum là một polysaccharide tự nhiên có tác dụng như chất kết dính sinh học, giúp cải thiện cường độ nén và độ ổn định của sản phẩm. Kết quả thử nghiệm ban đầu cho thấy loại gạch này đạt độ bền đáng kể, tuy vẫn thấp hơn so với gạch nung thiêu kết từ regolith và polyvinyl ở nhiệt độ cực cao.

Tuy nhiên, ưu điểm nổi bật của vật liệu vi sinh này là khả năng tự phục hồi. Do các tác động cơ học và môi trường trên Mặt Trăng dễ gây rạn nứt vi mô và phá vỡ cấu trúc, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một cơ chế "sửa chữa sinh học" bằng cách bơm hỗn hợp bùn chứa Sporosarcina pasteurii, regolith và guar gum vào các khu vực hư hại.

Quá trình thử nghiệm được tiến hành trên các mẫu gạch mô phỏng regolith đã bị tạo lỗi nhân tạo (rãnh chữ V, lỗ tròn, vết nứt). Sau khi áp dụng bùn vi sinh, vi khuẩn thực hiện hai tác vụ: (1) tạo kết tủa canxi cacbonat để lấp đầy vết nứt và (2) sinh tổng hợp polymer sinh học giúp ổn định cấu trúc đã phục hồi. Sau thời gian xử lý, mẫu gạch khôi phục được từ 28% - 54% cường độ nén ban đầu làmột kết quả đầy triển vọng cho ứng dụng thực tiễn.

Một thách thức kỹ thuật quan trọng là tính ổn định và hiệu quả hoạt động của vi khuẩn trong điều kiện môi trường ngoài Trái Đất: trọng lực thấp, bức xạ ion hóa cao và nhiệt độ biến động mạnh có thể làm thay đổi hành vi sinh học của vi sinh vật.

Để đánh giá khả năng hoạt động của Sporosarcina pasteurii trong môi trường phi địa cầu, nhóm nghiên cứu đề xuất tích hợp thí nghiệm vi sinh vào sứ mệnh Gaganyaan, chuyến bay có người lái đầu tiên của Ấn Độ, dự kiến thực hiện năm 2026. Đây sẽ là lần đầu tiên quá trình MICP được kiểm nghiệm trong điều kiện không gian thực tế.

Nếu xác nhận được hiệu quả trong môi trường ngoài Trái Đất, phương pháp này có thể trở thành nền tảng cho việc phát triển vật liệu xây dựng tự phục hồi tại chỗ, giảm phụ thuộc vào vật liệu mang từ Trái Đất, qua đó góp phần hiện thực hóa mục tiêu xây dựng hạ tầng dài hạn trên Mặt Trăng và các thiên thể khác.

VLXD.org (TH)