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有点费宇航员:英国科学家用人血造出新型混凝土:宇航员一周献血两次,就能在火星盖出房子

作者:上海盎真科技有限公司 浏览: 发表时间:2021-10-08 15:30:36

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使用模拟的火星土壤(左)和月球土壤(右)合成的材料。图片来源:Dr. Aled Roberts | Research Fellow Future Biomanufacturing Research Hub Manchester Institute of Biotechnology

据估计,向火星运送一块砖头的成本约为200万美元,这使得未来在那里建造殖民基地的成本令人望而却步。近日,英国曼彻斯特大学科学家的一项新研究或许有潜力解决这一问题:利用其他星球的土壤和人类的血液、汗水和眼泪,制造出一种类似混凝土的建筑材料。
该团队发现,存在于人类血液中的血清蛋白与存在于尿液、汗水或眼泪中的尿素的结合,可以结合模拟月球或火星土壤,创造出一种强度高于普通混凝土的材料。这种材料完全可以胜任地外建筑的建筑材料。

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不能带着建筑材料登陆火星,只能就地取材建造建筑物和避难所。这种方法被称为“就地资源利用”(简称ISRU)。这种方法的关键是如何利用火星表面(也称风化层)松散的岩石和土壤,以及稀有的水储备。然而,在任何载人任务中实际存在的一种资源却被长期忽视了,那就是宇航员本身。
9月10日在线发表在《今日材料生物》上的一篇论文中,科学家证明,大量存在于人体血浆中的人血清白蛋白(HSA)可以作为粘结剂,将模拟月壤和火星土壤制成一种类似混凝土的材料。新材料被命名为星形混凝土,不同配方得到的抗压强度不同,最高可达25兆帕,大致相当于普通混凝土的20-32兆帕。
其实用牛血清白蛋白是可以的,但是把牛送上火星就不划算了。
科学家们还发现,添加尿素(人体通过尿液、汗水和眼泪排出的一种代谢废物),可进一步提高抗压强度300%以上,性能最好的材料的抗压强度接近 40 Mpa,比普通混凝土强得多。研究参与者之一、来自曼彻斯特大学的埃德·罗伯茨博士说,与计划应用于月球和火星的许多其他建造技术相比,这项新技术具有明显的优势。
“科学家们一直试图开发可行的技术,在火星表面生产类似混凝土的材料,但我们从未想过答案可能永远在我们自己的身体里,”他说。
材料制作完成后,需要在4°C下储存,48小时内使用,在65°C下放置过夜后固化。这项研究也证明,通过这种方式合成的材料具有应用于3D打印的潜力。由于缺乏合适的3D打印设备,研究团队将材料装入注射器,模拟3D打印过程。


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模拟火星土壤合成材料 3D 打印效果图。图片来源:Dr. Aled Roberts | Research Fellow Future Biomanufacturing Research Hub Manchester Institute of Biotechnology
科学家计算出,一升人类血浆中所含的血清蛋白,可以产生大约300克这样的地外风化石生物复合材料。如果每周献血两次,每位航天员一周可制造约2.5公斤材料,相当于一块标准粘土红砖。在为期两年的火星任务中,6名宇航员可以生产500多公斤的高强度星载混凝土。如果将它们作为砂浆粘合风化材料烧制的沙袋或砖块,每人生产的AstroCrete可以为营地中的一名新宇航员拓展空间,这意味着一次任务可以将整体生活空间扩大一倍。
但需要补充的是,虽然捐献血浆通常允许比捐献全血更短的时间间隔,但根据英国献血指南,符合条件的健康人群可以每两周捐献一次血浆,每次一袋(560ml)。
研究团队还指出,这项技术也可能在地球上找到用处。混凝土是全球经济发展的基石,其产生的二氧化碳排放量人类排放量的8%。混凝土碳排放的一半来自碳酸钙热分解生成氧化钙
它是混凝土的主要原材料之一。因此,研究团队主张使用合成蛋白作为粘合剂,比如合成蜘蛛丝蛋白。

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动物血在历史上被用作砂浆的粘合剂。“令人兴奋的是,太空时代的一个主要挑战可能受到了中世纪的启发,并找到了解决方案,”罗伯茨说。
科学家进一步研究了这种结合的内在机制,发现人血清蛋白会变性,或者说“凝固”,形成β片相互作用的二级结构,将物质紧密结合在一起。
研究团队也承认,未来还需要大量研究来评估这一概念的可行性,比如这种材料在火星环境条件下的耐久性。这项研究中的实验都是在室温下进行的,而火星上的昼夜温差极高,高温约20°C,低温高达153°C。还要考虑到火星环境低压强辐射的特点。
此外,还要研究低重力环境下持续捐献血浆的长期健康影响,通过实验评估可以在不影响航天员健康的情况下提取多少血清蛋白。研究团队认为,这项技术有望用于火星基地建设,但在更遥远的未来,植物源蛋白等其他更好的材料将取而代之。

文献来源:Blood, sweat and tears: extraterrestrial regolith biocomposites with in vivo binders


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