真空效应对通过酶诱导的碳酸盐沉淀实现月球/火星模拟物固结过程的影响

《Advances in Space Research》：Vacuum effects on Lunar/Martian simulant consolidation via enzyme-induced carbonate precipitation

真空环境下酶诱导碳酸钙沉淀固化月壤及火星土壤模拟物的力学性能研究。实验表明真空条件显著降低固化样品抗压强度，主因是水分及氨挥发加速导致的孔隙率增加与微结构松散化。研究结果为地外资源利用（ISRU）技术构建空间建筑提供了新视角。

　　

詹燕|川崎智

北海道大学工学研究科可持续资源工程系，日本札幌市北区北13丁目西8，邮编060-8628

摘要

随着太空探索的进步，开发适用于外星环境的建筑材料已成为一个关键的研究焦点。生物水泥由于其可持续性和利用原位资源（ISRU）的潜在应用，成为外星建筑的一种有前景的方法。然而，它在极端太空条件下的可行性，特别是在真空环境中，仍然很大程度上未被探索。本研究通过酶诱导的碳酸盐沉淀（EICP）技术，研究了真空条件对月球和火星风化层模拟物固化的效果，并将结果与大气压下的结果进行了比较。实验结果表明，虽然真空条件对沉淀物的含量影响不大，但显著降低了固化样品的无侧限抗压强度（UCS）。这种降低主要是由于在真空下水和氨的快速挥发，导致孔隙率增加和微观结构变松，从而削弱了机械性能。这些基于ISRU原理的发现，为生物水泥在外星建筑应用中的潜力提供了新的视角。

引言

随着太空探索的持续进步，开发适用于外星环境的建筑材料已成为一个关键的研究领域。这不仅是为了满足未来月球或火星基地的建设需求，也是为了降低将建筑材料从地球运输到太空的高成本，以及相关的能源消耗和环境污染（Karl等人，2022年；Kokkinakis和Drikakis，2022年；Ryan等人，2022年）。为了应对这一挑战，已经提出了各种原位资源利用（ISRU）技术，用于开发外星建筑材料，如基于硫的混凝土（Tute和Goulas，2024年；Giwa等人，2024年；Shahsavari等人，2022年）；铸造和烧结的风化层（Warren等人，2022年；Farries等人，2021年；Indyk和Benaroya，2017年）；风化层聚合物（Javed等人，2024年；Zhang等人，2022年；Montes等人，2015年）；以及热塑性聚合物（Fateri等人，2025年；Matetich和Vold，2023年；Zaccardi等人，2022年）。最近，生物水泥作为一种可持续的地质技术解决方案被研究用于太空建筑（Zuo等人，2023年；Gleaton等人，2022年；Dikshit等人，2021年），其潜在优势包括与封闭循环资源系统的兼容性（Yan和Kawasaki，2025年）。生物水泥化可以利用多种代谢途径，如氨基酸的氨化、光合作用、反硝化、硫酸盐还原和甲烷生成（Castro-Alonso等人，2019年）。其中，尿素水解是最广泛研究的过程，如方程式（1）、（2）、（3）、（4）所示，生成碳酸根离子，随后与钙离子反应形成碳酸钙（Ngoma和Kolawole，2024年；Li等人，2024年；Ahenkorah等人，2023年），通常在中性到微碱性pH条件下发生，从而以可控的方式增强土壤的地质性能。特别是，EICP相比MICP具有显著优势，因为它消除了细菌污染的风险，且不需要氧气来维持活性，这对于外星应用非常理想。

尽管生物水泥技术在地球上的有效性和可行性已经得到证实，包括在基础加固（Shu等人，2024年；Wang等人，2023年；Kou等人，2023年）、砖块生产（Arab等人，2021年；Cheng等人，2020年；Lambert和Randall，2019年）和侵蚀控制（Xu等人，2024年；Naeimi和Chu，2023年；He等人，2023年）中的应用，但生物水泥在极端太空环境中的性能，包括高真空、高辐射、极端温度波动和微重力条件，仍然很大程度上未被探索。需要进一步研究以评估其在外星应用中的可行性和适应性，因为这些条件可能会显著影响反应动力学和沉淀特性。特别是，本研究旨在探讨生物水泥在真空条件下的反应可行性。