殖民火星新建材 遇冷硬化更輕量

編譯／韋士塔

人類未來前往火星建造永續棲息地，將不再需要耗費巨額能源運送巨大的超高溫煉爐！香港科技大學（HKUST）土木及環境工程學系與香港理工大學團隊合作，成功運用沙子、明膠與基因工程改造的釀酒酵母，開發出一款專為火星環境設計的「生醫積木建材」。

研究團隊指出，該技術利用火星地表的極度寒冷與稀薄氣壓環境進行「自然冷凍乾燥」，不僅完全擺脫傳統高溫熔燒岩石所需的龐大電力負擔，大幅降低生產建材須消耗的能源，更創下損毀磚塊可完全加熱融化、重新回收達4次的紀錄，為外星基地建構提供低成本、高效率且具備自主修復潛力的解決方案。

包括美國太空總署（NASA）「3D列印火星棲息地挑戰賽」在內的絕大多數外星殖民建材方案，主要模式是把火星地表的風化層加熱至1000℃以上，使其熔融燒結成堅硬磚塊。然而，火星地表能源極度匱乏，一座高溫高壓燒結爐所需的電力成本過高，成為建造殖民地的艱困。

HKUST的研究團隊突破思惟框架，從日常零食「冷凍乾燥水果」的變硬特性中獲得靈感。透過精準微調冷凍與真空下的蒸發過程，能在材料內部創造出具備高機械效率的結構；3D列印生醫建材技術可分為3大階段，第一階段是控制列印材料，精準維持37℃，避免溫度過低導致材料過早凝結，溫度過高則會因流動性過強而塌陷。

第二階段是列印完畢後，讓建材在火星環境直接固化；據推斷，火星地表溫度約為零下55℃，氣壓僅約地球氣壓的萬分之1；在這種極低溫與極低壓環境下，材料中的水分不經過液態，直接由冰昇華為蒸氣，也就是冷凍乾燥。

冷凍乾燥後進入第三階段，建材形成極其堅硬且多孔的明膠骨架，將沙粒與酵母細胞緊密鎖定；這種高強度的多孔支架，讓建材展現出驚人的「高強度、輕量化」特性。

為突破傳統天然膠水強度不足的限制，團隊在普通的釀酒酵母細胞表面植入特定基因，使其表面出現一層具備強效黏性的蛋白質，大幅提升建材的壓縮負荷能力。

研究團隊表示，這款火星生醫建材在力學表現、能源消耗以及永續循環性，都有極大的商業與工程優勢；該硬化材料平均抗壓強度與一般混凝土相當，足以建構多層複雜建築；產出每立方公尺材料需消耗的能源，約為熔岩方案的幾10分之1；在火星每平方公尺約200瓦的陽光照射下，太陽能板運作僅需1小時即可提供足夠能量。

此外，測試後的磚塊經壓碎，並加熱溶解明膠後，可重新混合並再次列印成型。經歷4次完整循環後，磚塊中的酵母菌仍保持活性，可繼續培養複製。

研究團隊指出，利用微生物與極寒環境建造外星基地的概念，具備極高可行性。接下來，他們將深入研析微生物抗宇宙輻射的極限，推動該技術從實驗室邁向正式的火星工程應用。