Nếu mọi việc diễn ra theo kế hoạch, một ngày nào đó các nhà khoa học có thể bắt đầu xây dựng các tiền đồn trên Mặt Trăng — và một số chuyên gia tin rằng những tiền đồn này có thể được xây dựng bằng gạch làm từ regolith Mặt Trăng. Và giờ đây, một nghiên cứu mới dựa trên các thí nghiệm mô phỏng regolith Mặt Trăng cho thấy rằng nếu những viên gạch bụi Mặt Trăng này bị nứt, vi khuẩn có thể được sử dụng để bịt kín chúng lại.
Việc sử dụng càng nhiều tài nguyên tại Mặt Trăng càng tốt để xây dựng một căn cứ trên Mặt Trăng là điều cần thiết để giảm chi phí; việc phóng khối lượng lớn vật liệu từ Trái Đất lên Mặt Trăng rất tốn kém. Do đó, việc làm gạch từ regolith Mặt Trăng từ lâu đã được coi là một giải pháp tiềm năng. Nhiều nhóm trên khắp thế giới, bao gồm các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học Ấn Độ (IISc), đã thử nghiệm làm những loại gạch này bằng các chất mô phỏng regolith Mặt Trăng.
Regolith, theo ngữ cảnh, là bụi và đá rời bao phủ bề mặt Mặt Trăng. Các mẫu thực tế của regolith mặt trăng rất hiếm và quý, do đó, các chất mô phỏng, nhằm mục đích sao chép các loại regolith khác nhau, được sử dụng cho các thí nghiệm thay thế. Trước đây, các nhà nghiên cứu IISc đã tìm ra cách sử dụng một loại vi khuẩn đất trên cạn có tên là Sporosarcina pasteurii để làm gạch từ chất mô phỏng regolith. Các vi khuẩn này có thể chuyển đổi urê — mà vi khuẩn tạo ra dưới dạng chất thải — và canxi thành các tinh thể canxi cacbonat. Khi trộn với gôm guar được chiết xuất từ hạt guar, các tinh thể này có thể liên kết các hạt regolith lại với nhau để tạo thành gạch.
Sau đó, cùng nhóm này đã thử nghiệm làm gạch mặt trăng bằng phương pháp thiêu kết, bao gồm việc nung hỗn hợp đặc của chất mô phỏng regolith với polyvinyl alcohol, một loại polyme hòa tan, ở nhiệt độ cực cao trong lò nung. Những viên gạch được hình thành thông qua quá trình thiêu kết thậm chí còn bền hơn những viên gạch được tạo ra từ vi khuẩn — tuy nhiên, điều kiện trên Mặt Trăng khá khắc nghiệt.
Tiếp xúc với môi trường chân không của không gian, những viên gạch trên Mặt Trăng sẽ phải chịu được phạm vi nhiệt độ từ mức cao nhất là 250 độ F (121 độ C) đến mức thấp nhất là -208 độ F (–133 độ C) trong suốt một ngày trên Mặt Trăng, điều này sẽ tạo ra ứng suất nhiệt cực lớn lên những viên gạch. Chúng cũng có thể bị bắn phá bởi các vi thiên thạch và tia vũ trụ.
"Những thay đổi về nhiệt độ có thể rõ rệt hơn nhiều trên bề mặt Mặt Trăng, theo thời gian, có thể gây ra tác động đáng kể", Koushik Viswanathan thuộc Khoa Kỹ thuật Cơ khí của IISc cho biết trong tuyên bố. "Gạch thiêu kết giòn. Nếu bạn có một vết nứt và nó phát triển, toàn bộ cấu trúc có thể nhanh chóng sụp đổ."
Do đó, khả năng sửa chữa đầy đủ các viên gạch trên mặt trăng trước khi một tiền đồn trên mặt trăng sụp đổ thành bụi là điều cần thiết. Vì vậy, Viswanathan và các đồng nghiệp đã quay trở lại ý tưởng trước đó của họ là sử dụng Sporosarcina pasteurii, nhưng lần này không phải để làm gạch, mà là để tạo ra một chất trám có thể lấp đầy các vết nứt và lỗ trên gạch.
Nhóm đã thiêu kết các viên gạch từ chất mô phỏng regolith, sau đó áp dụng nhiều loại thiệt hại cho chúng — ví dụ như lỗ, khía hình chữ V và khía hình bán nguyệt — tất cả đều là kết quả của sự mỏi kết cấu. Sau đó, các nhà nghiên cứu đổ hỗn hợp mà họ gọi là bùn nhão, được pha chế từ sự kết hợp của Sporosarcina pasteurii, guar gum và chất mô phỏng regolith, lên trên những viên gạch và để chúng trong vài ngày, cho phép bùn nhão thấm vào gạch và lấp đầy bất kỳ lỗ hổng hoặc vết nứt nào.
Vi khuẩn đã thực hiện hai việc. Một là, nó tạo ra canxi cacbonat có tác dụng lấp đầy các vết nứt và hai là, tạo ra các polyme sinh học cho phép hỗn hợp liên kết với gạch, khiến gạch trở nên rắn chắc trở lại. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng điều này đã khôi phục lại 28 đến 54% cường độ nén trước đó của gạch, mặc dù nó không hoàn toàn khôi phục lại cường độ ban đầu của gạch.
"Ban đầu, chúng tôi không chắc liệu vi khuẩn có liên kết với gạch đã thiêu kết hay không", Aloke Kumar của IISc cho biết. "Nhưng chúng tôi phát hiện ra rằng vi khuẩn không chỉ có thể làm đông đặc bùn mà còn bám dính tốt vào khối khác này."
Thực hiện được điều này trong phòng thí nghiệm là một chuyện, nhưng thực hiện trong điều kiện khó khăn trên mặt trăng lại là chuyện khác.
"Một trong những câu hỏi lớn là về hành vi của những vi khuẩn này trong điều kiện ngoài Trái đất," Kumar cho biết. "Bản chất của chúng có thay đổi không? Chúng có ngừng [sản xuất cacbonat] không? Những điều đó vẫn chưa được biết."
— Các khối xây dựng: Trung Quốc có kế hoạch sản xuất gạch trên Mặt Trăng để xây dựng nơi ở cho con người
— Bụi Mặt Trăng có thể giúp các phi hành gia cung cấp năng lượng cho các thành phố bền vững trên Mặt Trăng. Đây là cách
— Mặt xa của Mặt Trăng từng là một đại dương magma rộng lớn, tàu đổ bộ lên Mặt Trăng của Trung Quốc xác nhận
Để cố gắng trả lời một số câu hỏi này, nhóm nghiên cứu đang đề xuất gửi một mẫu Sporosarcina pasteurii vào không gian như một phần của sứ mệnh Gaganyaan sắp tới, đây sẽ là sứ mệnh không gian có người lái đầu tiên của Ấn Độ, đưa ba phi hành gia ra khỏi Trái Đất sớm nhất là vào năm 2026.
"Nếu điều đó xảy ra, theo hiểu biết của chúng tôi, đây sẽ là thí nghiệm đầu tiên thuộc loại này với loại vi khuẩn này", Viswanathan cho biết.
Nghiên cứu đã được công bố vào ngày 27 tháng 3 trên tạp chí Biên giới trong công nghệ vũ trụ.
Việc sử dụng càng nhiều tài nguyên tại Mặt Trăng càng tốt để xây dựng một căn cứ trên Mặt Trăng là điều cần thiết để giảm chi phí; việc phóng khối lượng lớn vật liệu từ Trái Đất lên Mặt Trăng rất tốn kém. Do đó, việc làm gạch từ regolith Mặt Trăng từ lâu đã được coi là một giải pháp tiềm năng. Nhiều nhóm trên khắp thế giới, bao gồm các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học Ấn Độ (IISc), đã thử nghiệm làm những loại gạch này bằng các chất mô phỏng regolith Mặt Trăng.
Regolith, theo ngữ cảnh, là bụi và đá rời bao phủ bề mặt Mặt Trăng. Các mẫu thực tế của regolith mặt trăng rất hiếm và quý, do đó, các chất mô phỏng, nhằm mục đích sao chép các loại regolith khác nhau, được sử dụng cho các thí nghiệm thay thế. Trước đây, các nhà nghiên cứu IISc đã tìm ra cách sử dụng một loại vi khuẩn đất trên cạn có tên là Sporosarcina pasteurii để làm gạch từ chất mô phỏng regolith. Các vi khuẩn này có thể chuyển đổi urê — mà vi khuẩn tạo ra dưới dạng chất thải — và canxi thành các tinh thể canxi cacbonat. Khi trộn với gôm guar được chiết xuất từ hạt guar, các tinh thể này có thể liên kết các hạt regolith lại với nhau để tạo thành gạch.
Sau đó, cùng nhóm này đã thử nghiệm làm gạch mặt trăng bằng phương pháp thiêu kết, bao gồm việc nung hỗn hợp đặc của chất mô phỏng regolith với polyvinyl alcohol, một loại polyme hòa tan, ở nhiệt độ cực cao trong lò nung. Những viên gạch được hình thành thông qua quá trình thiêu kết thậm chí còn bền hơn những viên gạch được tạo ra từ vi khuẩn — tuy nhiên, điều kiện trên Mặt Trăng khá khắc nghiệt.
Tiếp xúc với môi trường chân không của không gian, những viên gạch trên Mặt Trăng sẽ phải chịu được phạm vi nhiệt độ từ mức cao nhất là 250 độ F (121 độ C) đến mức thấp nhất là -208 độ F (–133 độ C) trong suốt một ngày trên Mặt Trăng, điều này sẽ tạo ra ứng suất nhiệt cực lớn lên những viên gạch. Chúng cũng có thể bị bắn phá bởi các vi thiên thạch và tia vũ trụ.
"Những thay đổi về nhiệt độ có thể rõ rệt hơn nhiều trên bề mặt Mặt Trăng, theo thời gian, có thể gây ra tác động đáng kể", Koushik Viswanathan thuộc Khoa Kỹ thuật Cơ khí của IISc cho biết trong tuyên bố. "Gạch thiêu kết giòn. Nếu bạn có một vết nứt và nó phát triển, toàn bộ cấu trúc có thể nhanh chóng sụp đổ."
Do đó, khả năng sửa chữa đầy đủ các viên gạch trên mặt trăng trước khi một tiền đồn trên mặt trăng sụp đổ thành bụi là điều cần thiết. Vì vậy, Viswanathan và các đồng nghiệp đã quay trở lại ý tưởng trước đó của họ là sử dụng Sporosarcina pasteurii, nhưng lần này không phải để làm gạch, mà là để tạo ra một chất trám có thể lấp đầy các vết nứt và lỗ trên gạch.
Nhóm đã thiêu kết các viên gạch từ chất mô phỏng regolith, sau đó áp dụng nhiều loại thiệt hại cho chúng — ví dụ như lỗ, khía hình chữ V và khía hình bán nguyệt — tất cả đều là kết quả của sự mỏi kết cấu. Sau đó, các nhà nghiên cứu đổ hỗn hợp mà họ gọi là bùn nhão, được pha chế từ sự kết hợp của Sporosarcina pasteurii, guar gum và chất mô phỏng regolith, lên trên những viên gạch và để chúng trong vài ngày, cho phép bùn nhão thấm vào gạch và lấp đầy bất kỳ lỗ hổng hoặc vết nứt nào.
Vi khuẩn đã thực hiện hai việc. Một là, nó tạo ra canxi cacbonat có tác dụng lấp đầy các vết nứt và hai là, tạo ra các polyme sinh học cho phép hỗn hợp liên kết với gạch, khiến gạch trở nên rắn chắc trở lại. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng điều này đã khôi phục lại 28 đến 54% cường độ nén trước đó của gạch, mặc dù nó không hoàn toàn khôi phục lại cường độ ban đầu của gạch.
"Ban đầu, chúng tôi không chắc liệu vi khuẩn có liên kết với gạch đã thiêu kết hay không", Aloke Kumar của IISc cho biết. "Nhưng chúng tôi phát hiện ra rằng vi khuẩn không chỉ có thể làm đông đặc bùn mà còn bám dính tốt vào khối khác này."
Thực hiện được điều này trong phòng thí nghiệm là một chuyện, nhưng thực hiện trong điều kiện khó khăn trên mặt trăng lại là chuyện khác.
"Một trong những câu hỏi lớn là về hành vi của những vi khuẩn này trong điều kiện ngoài Trái đất," Kumar cho biết. "Bản chất của chúng có thay đổi không? Chúng có ngừng [sản xuất cacbonat] không? Những điều đó vẫn chưa được biết."
— Các khối xây dựng: Trung Quốc có kế hoạch sản xuất gạch trên Mặt Trăng để xây dựng nơi ở cho con người
— Bụi Mặt Trăng có thể giúp các phi hành gia cung cấp năng lượng cho các thành phố bền vững trên Mặt Trăng. Đây là cách
— Mặt xa của Mặt Trăng từng là một đại dương magma rộng lớn, tàu đổ bộ lên Mặt Trăng của Trung Quốc xác nhận
Để cố gắng trả lời một số câu hỏi này, nhóm nghiên cứu đang đề xuất gửi một mẫu Sporosarcina pasteurii vào không gian như một phần của sứ mệnh Gaganyaan sắp tới, đây sẽ là sứ mệnh không gian có người lái đầu tiên của Ấn Độ, đưa ba phi hành gia ra khỏi Trái Đất sớm nhất là vào năm 2026.
"Nếu điều đó xảy ra, theo hiểu biết của chúng tôi, đây sẽ là thí nghiệm đầu tiên thuộc loại này với loại vi khuẩn này", Viswanathan cho biết.
Nghiên cứu đã được công bố vào ngày 27 tháng 3 trên tạp chí Biên giới trong công nghệ vũ trụ.
