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Hefe könnte Mars-Regolith in Baumaterial verwandeln
Gebäude auf dem Mars müssten möglichst viel Material vor Ort nutzen, weil jeder Transport von der Erde aufwendig ist. Forscher haben nun einen Verbund aus mineralischen Körnern, Gelatine und gentechnisch veränderter Hefe entwickelt, der sich unter simulierten Marsbedingungen im 3D-Druck verfestigt. Das poröse Material erreicht dabei eine Druckfestigkeit auf dem Niveau einfachen Betons.
Hongkong (China). Auf dem Mars treffen Baustoffe auf Bedingungen, die irdische Fertigungsverfahren erschweren. Die dünne Atmosphäre und die niedrigen Temperaturen können Wasser rasch gefrieren und aus dem Eis direkt in die Gasphase übergehen lassen. Verfahren, die Gestein stark erhitzen oder schmelzen, würden dagegen zusätzliche Energie benötigen. Deshalb suchen Ingenieure nach Baustoffen, die mineralisches Material vor Ort nutzen und mit möglichst wenig Zusatzenergie auskommen.
Ein Ansatz sind sogenannte lebende Baustoffe, bei denen Mikroorganismen in eine bindende Matrix eingebettet werden. Sie könnten vor Ort vermehrt werden und damit einen Teil der von der Erde mitzubringenden Rohstoffe ersetzen. Gleichzeitig muss ein solcher Verbund trotz Kälte und Unterdruck druckbar bleiben und nach dem Aushärten genügend mechanische Festigkeit erreichen.
Forscher an der The Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) um Jishen Qiu haben dafür einen hydrogelbasierten Baustoff untersucht. Die mineralischen Körner liefern Masse und Struktur. Gelatine verbindet die Bestandteile und schafft zugleich eine Umgebung für die Zellen. Hinzu kommt gentechnisch veränderte Hefe, deren Oberfläche mit stark haftenden Proteinen ausgestattet ist. Dazu gehören auch Proteine nach dem Vorbild des Klebstoffs, mit dem sich Muscheln an Oberflächen anheften.
Die Idee nutzt die harschen Umweltbedingungen nicht nur als Problem, sondern auch als Teil des Herstellungsprozesses. Die niedrige Temperatur und der geringe Luftdruck ähneln Bedingungen beim Gefriertrocknen. Dadurch kann dem frisch gedruckten Material Wasser entzogen werden, ohne dass die mineralischen Bestandteile zuvor mit hoher Energie geschmolzen werden müssen.
„Meine Inspiration kam von gefriergetrockneten Früchten, die härter werden“, erklärt Jishen Qiu.
Für die Versuche druckte das Team das Material in einer Kammer unter Mars-ähnlichen Bedingungen. Eine Aufnahme der Forscher zeigt den Druck bei minus 30 Grad Celsius und einem Luftdruck von 0,01 Atmosphären. Nach dem Austritt aus der Düse friert das enthaltene Wasser. Anschließend geht Eis direkt in Wasserdampf über und hinterlässt mikroskopische Poren. So entsteht ein leichter, schaumartiger Feststoff.
Ein vor der Fachveröffentlichung bereitgestellter Forschungs-Preprint beschreibt außerdem, wie stark Temperatur und Druck das Druckverhalten des hydrogelbasierten Gemischs beeinflussen. Die Materialtemperatur steuert demnach vor allem die Fließeigenschaften beim Austritt aus der Düse. Die Umgebungstemperatur bestimmt dagegen, wie schnell der Strang abkühlt und gefriert. Sinkender Luftdruck kann Gasblasen und Instabilitäten erzeugen, weshalb die Prozessbedingungen aufeinander abgestimmt werden müssen.
Die ausgehärteten Proben erreichten nach Angaben der Forscher eine Druckfestigkeit von etwa 10 bis 12 Megapascal. Das entspricht der Größenordnung von Beton niedriger Festigkeitsklassen. Die bislang gedruckten Strukturen sind allerdings winzig. Die kuppelförmigen Prototypen messen rund 45 Millimeter in der Höhe und 30 Millimeter in der Breite. Aussagen über ganze Gebäude beruhen deshalb noch auf einer Übertragung der Materialwerte auf größere Konstruktionen.
Für eine Marsbasis wäre die geringere Schwerkraft grundsätzlich günstig, weil Bauteile unter ihrem eigenen Gewicht weniger stark belastet würden als auf der Erde. Ob der Verbund bei meterhohen Wänden, über lange Zeiträume und unter realer Marsstrahlung dieselben Eigenschaften behält, ist jedoch noch offen. Die Arbeit zeigt zunächst, dass sich das Material unter nachgebildeter Kälte und niedrigem Dru