Từ trái cây sấy thăng hoa đến giấc mơ nhà ở trên Sao Hỏa
Công nghệ in 3D Sao Hỏa kết hợp vật liệu gelatin nở và men nở là phương pháp dùng đất Sao Hỏa trộn với gelatin và men biến đổi gen, sau đó in 3D và sấy thăng hoa trong môi trường lạnh, khô để tạo ra vật liệu xốp, nhẹ nhưng có độ bền tương đương bê tông cấp thấp, giúp xây dựng ngoài hành tinh với mức tiêu thụ năng lượng thấp và khả năng tái chế cấu trúc cho các công trình tương lai. Câu chuyện bắt đầu từ một quan sát đời thường: trái cây sấy thăng hoa cứng lại và giữ cấu trúc rất tốt. Thay vì đổ năng lượng vào nung chảy đá hay đất regolith, các nhà khoa học đặt câu hỏi táo bạo: nếu thực phẩm bảo quản được nhờ sấy thăng hoa, tại sao nơi trú ẩn trên Sao Hỏa không thể dùng cùng nguyên lý? Đây không phải ý tưởng kỳ thú để bàn cho vui, mà là hướng tiếp cận nghiêm túc nhằm làm cho xây dựng ngoài hành tinh bớt phụ thuộc vào thiết bị nặng và hệ thống năng lượng khổng lồ. Về mặt quan điểm, lựa chọn "công nghệ thấp" như sấy thăng hoa cho thấy một tư duy rất thực dụng: trên hành tinh xa xôi, đơn giản và tiết kiệm năng lượng có giá trị hơn cả sự hào nhoáng.
Vì sao gelatin và men nở lại là vật liệu của tương lai trên Sao Hỏa?
Việc dùng gelatin và men bia – những nguyên liệu tưởng chỉ thuộc về nhà bếp – để in 3D cấu trúc là một quyết định đầy tính chiến lược. Ở cấp độ vật liệu, bài toán trên Sao Hỏa rất đơn giản: có đất (cát, bụi) nhưng thiếu chất kết dính phù hợp. Nhóm nghiên cứu tạo ra một hỗn hợp men biến đổi gen sản sinh protein bám dính, được nuôi trong môi trường gelatin, rồi trộn với đất mô phỏng Sao Hỏa để tạo hệ vật liệu mới. Hỗn hợp sệt này được coi như "xi măng sinh học" của thời đại in 3D Sao Hỏa. Quan điểm quan trọng ở đây là: sử dụng vật liệu quen thuộc giúp giảm rủi ro hậu cần cho các nhiệm vụ không gian dài ngày. Gelatin có thể mang theo tương đối dễ, men bia nếu còn lại một tế bào sống là có thể nhân giống lại. Trong điều kiện mà mỗi kilogram tải lên quỹ đạo đều đắt đỏ về năng lượng, khả năng tái tạo tại chỗ là lợi thế chiến lược. Việc chọn men nở cũng phù hợp với giai đoạn thử nghiệm, vì đây là sinh vật dễ thao tác và cho phép mức độ "thử–sai" mà các dự án ngoài hành tinh rất cần.
Công nghệ sấy thăng hoa: chìa khóa cho in 3D năng lượng thấp
Điểm thuyết phục nhất của công nghệ này nằm ở cách nó tận dụng điều kiện khắc nghiệt trên Sao Hỏa chứ không chống lại chúng. Hỗn hợp đất, gelatin và men được đùn qua vòi phun in 3D vào môi trường cực lạnh, áp suất thấp; nước trong đó đóng băng rồi chuyển thẳng từ băng sang hơi – chính là quá trình sấy thăng hoa. Kết quả là một khối vật liệu xốp, nhẹ như bọt biển nhưng có độ bền nén và uốn trung bình khoảng 12 MPa và 6 MPa, tương đương bê tông cấp thấp. Theo nhóm nghiên cứu, nhu cầu năng lượng của quy trình này thấp hơn từ một đến hai bậc độ lớn so với các phương pháp nung đất Sao Hỏa hay Mặt Trăng thành vật liệu xây dựng. Đây là câu trích dẫn đáng nhớ: "The energy demand is one to two orders of magnitude lower than that of heat-processing Martian dirt into building material." Về mặt quan điểm, đó là một cú xoay hướng rõ ràng sang in 3D năng lượng thấp, nơi hệ thống xây dựng được thiết kế phù hợp với môi trường ngoài hành tinh thay vì cố tái tạo điều kiện Trái Đất tốn kém.
Biến đất Sao Hỏa thành vật liệu xây dựng bền và tái chế được
Ở tầng thực tế, phương pháp này trả lời câu hỏi cốt lõi: làm sao biến thứ có sẵn trên Sao Hỏa thành cấu trúc đủ vững để ở. Công thức vật liệu nghe gần như thô sơ – cát và một chất kết dính đặc biệt – nhưng cho ra kết quả ấn tượng: các mái vòm thử nghiệm cao cỡ một nút chai rượu đã đạt độ bền nén tương đương bê tông cấp thấp. Qiu khẳng định vật liệu này đủ mạnh để xây nhà một đến hai tầng trên Trái Đất, nơi lực hấp dẫn gấp ba lần Sao Hỏa. Điều đó ngầm nói rằng các công trình nhiều tầng trên Sao Hỏa không còn là viễn tưởng thuần túy. Quan điểm đáng chú ý nữa là tính tuần hoàn: vật liệu có thể bị phá bỏ và tái chế, miễn là ít nhất một tế bào men bia còn sống để khởi động lại quá trình. Trong bối cảnh xây dựng ngoài hành tinh, khả năng "tháo–lắp" kiến trúc theo nhu cầu nhiệm vụ và tái sử dụng tài nguyên là một lợi thế rõ rệt. Nó tạo tiền đề cho những khu trú ẩn linh hoạt, có thể mở rộng, di dời hoặc tái cấu trúc mà không cần mang thêm hàng loạt thiết bị và vật liệu từ Trái Đất.
Từ nguyên mẫu nhỏ đến kiến trúc lai cho phi hành gia tương lai
Dù đã đáng chú ý, các prototyp hiện tại mới ở kích thước vài chục milimét, hình dạng như những mái vòm tổ ong nhỏ. Chúng chưa giải quyết toàn bộ bài toán của một nơi ở đầy đủ: giữ áp suất, kín khí, điều chỉnh nhiệt, chắn bức xạ, chống bụi, dễ sửa chữa, tái chế tài nguyên. Bản thân nhóm nghiên cứu thừa nhận rằng một habitat thực tế trên Sao Hỏa hoặc Mặt Trăng sẽ phải là kiến trúc lai, kết hợp vật liệu men–gelatin với các hệ kết cấu truyền thống. Tuy vậy, về góc nhìn chiến lược, bước đột phá dùng công nghệ sấy thăng hoa và vật liệu gelatin nở cho in 3D Sao Hỏa là tín hiệu rõ rằng chúng ta đang dần có câu trả lời khả thi cho chỗ ở của các phi hành gia tương lai. Việc tránh phải nung đất Sao Hỏa nghĩa là giảm đáng kể năng lượng và thiết bị nặng cần mang theo, yếu tố sẽ quyết định tính hiện thực của mọi kế hoạch định cư. Kết luận hợp lý là: nếu có ngày con người sống trên Hành tinh Đỏ, rất có thể họ sẽ ở trong những ngôi nhà sinh học xốp, nhẹ, bền được in từ đất tại chỗ – và bắt nguồn từ công nghệ sấy thăng hoa đơn giản mà hiệu quả này.
