Освоение дальнего космоса, и создание постоянных баз на Луне и Марсе, напрямую зависит от способности человека использовать местные ресурсы. В современной космонавтике этот подход классифицируется как ISRU (In-Situ Resource Utilization — использование ресурсов на месте). Проблема в том, что традиционные промышленные методы экстракции металлов, разработанные для Земли, строятся на гравитационных процессах: термической конвекции, осаждении и разделении фаз под действием веса. В условиях микрогравитации эти механизмы эффективно работать не будут.
Решение этой технологической задачи было предложено в ходе эксперимента BioAsteroid, проведенного на Международной космической станции. Ученые исследовали, как микроорганизмы могут взять на себя функции химических реакторов для извлечения ценных элементов из астероидного вещества.
Физические ограничения микрогравитации
Основным препятствием для проведения химических процессов в космосе является отсутствие естественной конвекции в жидкостях. На Земле разница в плотности нагретых и охлажденных слоев раствора заставляет их перемешиваться, что обеспечивает постоянный приток свежих реагентов к поверхности обрабатываемой породы и отток продуктов реакции. В невесомости этот процесс замещается диффузией — гораздо более медленным механизмом переноса вещества.
В результате вокруг твердого субстрата (например, фрагмента астероида) образуется пограничный слой насыщенного раствора. Концентрация растворенных элементов в этой зоне быстро достигает максимума, и химическая реакция замедляется или останавливается вовсе. Результаты эксперимента BioAsteroid подтвердили это: эффективность чисто химического (абиотического) извлечения палладия в условиях МКС снизилась в 13,6 раза по сравнению с аналогичными процессами на Земле. Именно этот физический барьер делает классические методы гидрометаллургии трудноприменимыми в космосе.
Биологическое решение: эксперимент BioAsteroid
Для преодоления диффузионного ограничения международная группа исследователей предложила использовать методы биовыщелачивания. В качестве экспериментального материала использовались измельченные фрагменты метеорита NWA 869, относящегося к классу L-хондритов. Эти породы содержат широкий спектр элементов, включая металлы платиновой группы (палладий, платина, рутений), которые критически важны для современной электроники и производства катализаторов.
В эксперименте задействовали два типа микроорганизмов: бактерию Sphingomonas desiccabilis и микроскопический гриб Penicillium simplicissimum. Эти организмы являются гетеротрофами — они получают энергию из органических соединений и в процессе жизнедеятельности выделяют вещества, способные разрушать кристаллическую решетку минералов. Исследование проводилось в специализированных биореакторах, где контролировались параметры среды в течение 19 дней нахождения на орбите.
Метаболическая адаптация грибов
Анализ результатов показал существенные различия в работе бактерий и грибов. Бактерия S. desiccabilis в условиях микрогравитации не продемонстрировала значительного улучшения показателей экстракции, а в некоторых случаях ее присутствие даже замедляло процесс из-за образования биопленок, которые блокировали доступ реагентов к породе.
Напротив, гриб Penicillium simplicissimum показал высокую эффективность. В условиях микрогравитации использование этого гриба позволило извлечь палладий в 5,5 раз эффективнее, чем при обычном химическом растворении в той же среде. Для рутения и платины также зафиксирован рост показателей.
Причина такой эффективности была установлена с помощью метаболомного анализа — детального изучения всех продуктов обмена веществ микроорганизма. Ученые обнаружили, что в космосе гриб P. simplicissimum радикально меняет свой метаболизм. Он начинает вырабатывать значительно большее количество специфических соединений, в частности карбоновых кислот. Эти кислоты выполняют роль хелатирующих агентов: они захватывают ионы металлов с поверхности породы и удерживают их в растворенном состоянии, предотвращая их обратное осаждение. Увеличение секреции этих веществ биологической системой стало адаптивным ответом на замедление физических процессов перемешивания в невесомости.
Глобальный охват: анализ 44 элементов
Эксперимент BioAsteroid не ограничивался только драгоценными металлами. С помощью метода масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой ученые отследили концентрацию 44 различных элементов. Исследование показало, что микробиологическое воздействие способствует высвобождению таких важных компонентов, как фосфор, калий, магний и железо.
Наличие этих элементов в доступной форме важно для создания систем жизнеобеспечения. Фосфор и калий необходимы для выращивания растений в гидропонных системах на космических станциях, а магний и железо могут использоваться в металлургических процессах или при производстве удобрений. Так что, одна и та же биологическая система способна решать задачи как промышленного производства, так и поддержания биологического цикла жизнеобеспечения экипажа.
Экономические аспекты и технологическая автономность
При анализе эффективности космической добычи ресурсов нельзя использовать чисто земные экономические критерии. Стоимость доставки оборудования и материалов на орбиту делает любую технологию, снижающую массу полезной нагрузки, крайне ценной.
Расчеты исследователей на примере палладия показали, что отсутствие биологического компонента в условиях микрогравитации приводит к падению выхода полезного продукта на сотни процентов. Если экстракция палладия биологическим путем составила 11,9% от общего содержания в породе, то без грибов этот показатель падает до критически низких значений. С точки зрения логистики, доставка нескольких миллиграммов спор микроорганизмов эффективнее, чем доставка тонн химических реагентов, которые быстро расходуются и требуют утилизации. Биологические системы способны к самовоспроизводству, что делает их важным элементом автономных поселений.
Перспективы масштабирования
Работа ученых на МКС доказала, что микробиологические процессы могут компенсировать отсутствие гравитации при работе с внеземным веществом. Это открывает путь к созданию масштабируемых систем экстракции металлов на астероидах и Луне.
В будущем такие системы могут быть интегрированы в автоматизированные заводы. Процесс будет выглядеть следующим образом: измельченный реголит поступает в реакторы, инокулированные специально отобранными штаммами грибов или бактерий. После завершения цикла биовыщелачивания полученный раствор подвергается электрохимическому или химическому разделению для получения чистых металлов.
Успешная колонизация космоса требует не только прогресса в ракетостроении, но и глубокой интеграции биологии в технические процессы. Микроорганизмы способны адаптировать свою химическую активность к условиям, в которых традиционные инженерные решения становятся неэффективными. Это делает промышленную микробиологию обязательной частью технологического стека будущих космических миссий.
Источник: npj Microgravity