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香港科学家研发出一种以基因工程酵母、明胶和沙子为原料的"活体"建筑材料,可在模拟火星环境下通过3D打印快速成型,为未来火星定居者提供低成本、低能耗的房屋建造方案。这项研究于2026年9月发表在国际学术期刊《Chem Circularity》上,由香港科技大学研究团队主导。据《南华早报》报道,该材料的抗压强度约为12兆帕,比对照组高出170%,已接近常规建筑材料的性能水平。
疑似复合火星建房的两难困境
将建筑材料从地球运往火星,成本高昂得惊人。据估算,每公斤货物运送至火星表面的成本高达数十万美元,一栋标准火星住宅所需的建材重量动辄数十吨,单是运输费用就足以让任何航天机构望而却步。另一种思路是利用火星本土资源,将火星土壤高温熔融制成砖块,但这同样面临巨大挑战。
旧情复燃火星表面温度极低,平均约零下63摄氏度,要对土壤进行高温烧结需要消耗大量能源。而太阳能发电在火星上效率有限,沙尘暴频繁遮挡阳光,核能小型反应堆尚处于试验阶段。如何在能源极度受限的环境下解决住房问题,成为各国航天机构亟待突破的瓶颈。
分手原因香港科技大学研究团队给出的答案是:让建筑材料"活"起来。
和平分手酵母如何变成"建筑工人"
研究团队利用基因工程技术,对酿酒酵母进行改造,使其能够分泌一种特殊的生物胶粘剂。这种胶粘剂与明胶混合后,能够将沙粒牢固地粘结在一起,形成具有一定强度的固体材料。
正式官宣论文通讯作者、香港科技大学教授朱晓红表示:"我们选择酵母作为基础,因为它繁殖速度快、易于基因改造,而且能够在火星环境下存活。通过调整基因表达,我们可以控制生物胶粘剂的产量和性能,从而优化材料的力学特性。"
实验在模拟火星环境(低温、低气压、高二氧化碳浓度)条件下进行,混合了沙粒、明胶和工程酵母的浆料成功通过了3D打印头的挤出成型。打印完成的构件经过干燥和固化处理,最终形成可用于建筑砌块或墙体结构的材料。
抗压强度超越同类方案
根据研究论文,优化后的材料配方抗压强度约为12兆帕,相比初代对照组提升了170%。这一数值不仅远超其他生物基建筑材料,也进入了常规混凝土和砖石的强度区间。
| 材料方案 | 抗压强度(兆帕) | 能耗需求 | 原料来源 | 技术成熟度 |
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| 酵母-明胶-沙子复合材料 | 12 | 低 | 火星沙土+生物制剂 | 实验室阶段 |
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| 火星土壤烧结砖 | 50-100 | 极高 | 火星土壤 | 已有概念验证 |
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| 地球运输预制板 | 20-40 | 运输成本极高 | 地球 | 技术成熟 |
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| 其他生物胶结方案 | 3-7 | 中 | 微生物+沙土 | 早期试验 |
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尽管烧结砖的强度更高,但其生产所需的能量消耗远远超出火星基地的供电能力。研究团队强调,酵母复合材料的目标并非替代所有建筑材料,而是在资源受限条件下提供一种快速、廉价且可扩展的初期建造方案。
生物矿化与"活体材料"的潜力
这项研究的核心创新在于"活体材料"概念——材料中的酵母并未在打印后被杀死,而是保持代谢活性,能够持续分泌胶粘剂修复微裂纹。论文指出,在实验中,受损的样品在适宜条件下放置一周后,部分裂纹被重新生成的生物胶粘剂填充,强度恢复约30%。
"这是传统惰性建材难以具备的自我修复能力,"朱晓红教授说,"在火星上,人工维修成本极高,能够自动修复的建筑材料将大大降低维护需求。"
此外,酵母繁殖所需的养分可以从火星土壤和循环利用的有机废料中获取,形成闭环生态系统。这意味着火星基地的厨房废弃物和人体排泄物都可能成为建筑材料的原料来源,进一步降低对地球补给线的依赖。
从实验室到火星:还有多远
尽管前景诱人,但这项技术距离真正的火星应用仍有相当距离。实验室模拟环境与真实火星条件存在显著差异,包括紫外辐射、粉尘静电以及极端温度波动等因素,都需要进一步验证。
研究团队计划下一步进行长期暴露实验,将材料样品置于模拟火星气候箱中持续测试一年,观察其性能衰减和微生物存活率。同时,他们也在探索将火星风化层(火星表面的细颗粒土壤)替代地球沙粒的可行性,因为火星土壤的矿物成分与地球沙粒有明显区别。
《麻省理工科技评论》援引匿名航天材料专家的话指出,生物建材概念在近地轨道空间站上可能率先得到应用,之后再逐步向月球和火星推广。该专家强调,任何新材料都需要经过反复的在轨验证,才能获得载人航天任务的认证。
相关研究背景与全球竞争
火星建筑材料的研发正成为全球航天科技竞赛的新焦点。中国科学院宁波材料技术与工程研究所此前发表过利用仿生细菌诱导碳酸钙沉淀固结火星模拟土壤的研究;美国宇航局则启动过利用微波烧结火星土壤的3D打印项目。
香港的研究团队认为,他们的方案在能耗和成本方面具有独特优势。论文显示,生产1立方米酵母建材所需电力仅为微波烧结法的十分之一,材料成本也大幅降低。
香港理工大学的客座教授邱吉申参与了对该研究的同行评审,他对《南华早报》表示:"这项工作为极端环境下的原位资源利用提供了新的思路。生物方法的最大优势是其适应性和可扩展性——我们可以在不同星球上调整微生物种类来匹配当地环境。"
FAQ
Q1: 酵母建材在地球上也能用吗?
A1: 可以,但性价比不高。在地球上,传统混凝土和砖块的生产成本远低于生物建材,且供应链成熟。不过,在偏远地区、灾区重建或极地科考站等物资运输困难的环境,这种能够就地取材的生物建材仍有应用潜力。研究团队也在探索降低明胶用量和延长材料寿命的改良方案。
Q2: 这项技术多久能在火星上实际使用?
A2: 短期内还无法实现。按照当前进度,材料仍需完成长期环境耐久性测试、太空微重力验证和载人任务安全认证。乐观估计,首次载人火星任务可能在2040年前后启动,而生物建材若作为备选方案,至少还需要10至15年的研发周期,才有望进入实际航天工程应用。
结语:火星之梦的"生物建造"路径
酵母、明胶和沙子,三种再普通不过的物质,经由基因工程改造成火星建筑的基石。这项研究展示了合成生物学与航天工程的交叉创新潜力,也为人类在火星建立持久定居点提供了新的可能。技术成熟需要时间,但方向的正确性已获学界初步认可。未来,随着更多在轨和地面验证实验的推进,这种"活"建材或将成为深空探测笔记中不可或缺的一页。
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香港科学家开发火星建材新方案:用基因工程酵母、明胶和沙3D打印出"活体"建筑,抗压强度达12兆帕,能耗远低于传统烧结,为火星定居提供低成本建造路径。
