Pozyskiwanie minerałów z regolitu księżycowego i marsjańskiego może być kluczowe dla eksploracji i prowadzenia badań tych ciał niebieskich. A gdyby do ich odzysku wykorzystać mikroglony i bakterie? Nad takim rozwiązaniem pracują polscy naukowcy, a wśród nich jest też badaczka z Politechniki Wrocławskiej.

Regolit to, w dużym skrócie, zwietrzała, luźna skała pokrywająca Ziemię oraz inne skaliste planety i księżyce. Powstaje, gdy skała zostaje poddana długotrwałym procesom fizycznym i chemicznym. Nasz Księżyc jest np. pokryty kilkumetrową warstwą drobnego regolitu, którego źródłem są odłamki skał powstałe m.in. w czasie uderzeń meteorytów. Z kolei na Marsie warstwa regolitu jest stosunkowo cienka i w większości ma skład bazaltu. Regolit księżycowy i marsjański różnią się oczywiście składem, ale mają wspólną cechę – z obu można odzyskać pierwiastki metali krytycznych.

Jak to zrobić? Można np. wykorzystać do tego mikroorganizmy ekstremofilne, takie jak mikroglony wulkaniczne, bakterie czy grzyby. Nad takim rozwiązaniem pracuje grupa polskich naukowców – dr inż. Weronika Urbańska z Wydziału Inżynierii Środowiska PWr, Ewa Borowska, doktorantka w Kolegium Międzywydziałowych Indywidualnych Studiów Matematyczno-Przyrodniczych na Uniwersytecie Warszawskim, dr Jakub Ciążela z Instytutu Nauk Geologicznych PAN i dr hab. Anna Potysz z Uniwersytetu Wrocławskiego. Razem opracowali metodę biologicznego odzyskiwania metali z regolitu księżycowego i marsjańskiego.

Od zużytych baterii do kosmicznych skał

Pomysł na wspólne badania zrodził się 2,5 roku temu, gdy dr inż. Weronika Urbańska i Ewa Borowska połączyły siły, by przy pomocy mikroorganizmów ekstremofilnych, czyli tolerujących skrajne warunki środowiskowe, odzyskiwać metale krytyczne z różnych odpadów polimetalicznych.  

– Wykorzystujemy do tego kilka szczepów mikroglonów z terenów wulkanicznych, gdzie panuje wysokie stężenie metali ciężkich, dwutlenku węgla i siarkowodoru. Żyjące w takim środowisku mikroglony mają naturalne predyspozycje do przystosowania się do trudnych warunków, a dodatkowo ich unikalna budowa sprawia, że mogą ekstrahować metale ciężkie bardzo efektywnie – wyjaśnia Ewa Borowska.

Obiecujące wyniki pierwszych badań nad odzyskiem metali z odpadów baterii (dr inż. Weronika Urbańska realizuje obecnie grant Miniatura 6 NCN w tej tematyce) spowodowały, że badaczki skierowały swoje zainteresowanie poza obszar Ziemi. W zbliżających się misjach eksploracji Księżyca, a w przyszłości także wyprawy na Marsa, pojawiają się plany założenia na nich stacji badawczych. Do ich budowy trzeba będzie jednak wykorzystać surowce znajdujące się na miejscu, bowiem ich transport z Ziemi jest w zasadzie niewykonalny.

– Gdy dodatkowo uświadomimy sobie, że już teraz zaczynamy na Ziemi odczuwać braki w surowcach krytycznych, to okazuje się, że pozyskiwanie ich w kosmosie np. właśnie z regolitu może być kluczowe dla planowanych tam badań. Skoro mamy już opracowane metody działające na Ziemi, to dlaczego nie spróbować wykorzystać ich również w kosmosie – mówi dr inż. Weronika Urbańska. – W warunkach ziemskich możemy do tego stosować np. różne związki chemiczne, ale okazuje się, że metody biologiczne są łatwiejsze w prowadzeniu, a do tego tańsze i nie wpływają negatywnie na już zanieczyszczone środowisko naturalne – dodaje.

Badania wstępne były już prezentowane na konferencji Goldschmidt 2022. To najważniejsza coroczna, międzynarodowa konferencja poświęcona geochemii i tematom pokrewnym, organizowana przez Europejskie Stowarzyszenie Geochemii i Towarzystwo Geochemiczne. Teraz zespół pracuje nad publikacjami naukowymi, gdzie będzie można przeczytać o szczegółach eksperymentów.

Za wykorzystaniem mikroglonów i bakterii w misjach kosmicznych przemawia również łatwość transportu. Do rozpoczęcia całego procesu wystarczy już niewielka ich ilość. Ma to ogromne znacznie w wypadku ładunków wynoszonych na pokładach rakiet kosmicznych.

– Warto wiedzieć, że te glony pamiętają początki życia na Ziemi i w sprzyjających warunkach, które bardzo łatwo możemy wytworzyć, mnożą się bardzo szybko. Dlatego badania nad wykorzystaniem mikroorganizmów, w tym m.in. grzybów, do odzysku surowców prowadzone są na całym świecie m.in. w zespołach naukowych NASA i Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA). Nasze rozwiązanie, łączące mikroglony z bakteriami, jest jednak pod tym względem unikatowe – podkreśla Ewa Borowska, która rok temu odbyła staż w NASA Ames Research Center w USA, gdzie badała naturalne środowisko mikroglonów wulkanicznych w Parku Narodowym Lassen Volcanic.

Połączyć bakterie i glony

Opracowane przez zespół rozwiązanie zakłada jednoczesne wykorzystanie bakterii i mikroglonów. W pierwszym etapie bakterie ekstrahują częściowo pierwiastki metali, a w kolejnej fazie w ten proces angażowane są mikroglony. Z powstałej w ten sposób biomasy naukowcy są w stanie odzyskać potrzebne surowce.

Wstępne badania prowadzone były najpierw na proszku bateryjnym (obecnie są optymalizowane w grancie dr inż. Weroniki Urbańskiej), a następnie na symulantach regolitu księżycowego i marsjańskiego. Co ważne, naukowcom udało się także opracować rozwiązanie, które pozwala na rozrost glonów i bakterii przy minimalnym wykorzystaniu wody. Bazowano na naturalnych procesach geomikrobiologicznych, w których uczestniczą zarówno bakterie, jak i glony zastosowane przez naukowców.

– Na podstawie wstępnych analiz wyników naszych badań możemy już powiedzieć, że osiągnęliśmy kilkudziesięcioprocentową efektywność w odzysku pierwiastków. Teraz czeka nas dokładna parametryzacja i optymalizacja całego procesu, ale wyniki już teraz są zadowalające i porównywalne do szeroko stosowanych metod chemicznych – zaznacza dr inż. Weronika Urbańska. – Obecnie skupiamy się na odzysku litu, kobaltu, a także miedzi i niklu, które ostatnio zostały wpisane na listę surowców krytycznych, ale w przyszłości chcielibyśmy rozszerzyć badania również o metale ziem rzadkich – dodaje.

Badania nad mikroglonami, które były wykorzystane w odzysku metali, zostały już zauważone – założony przez Ewę Borowską startup Extremo Technologies, otrzymał grant na kolejny pomysł z zastosowaniem tych mikroorganizmów w nowym produkcie firmy z Europejskiej Agencji Kosmicznej w ramach programu ESA Business Incubation Centrer Poland (ESA BIC), należącego do największej sieci inkubatorów kosmicznych w Europie.

Zespół startupu postanowił zaproponować współpracę Wydziałowi Inżynierii Środowiska, gdzie prowadzone są już wstępne rozmowy nad możliwością realizacji grantu w murach naszej uczelni.

– Interdyscyplinarność to podstawa w tego typu inicjatywach. Razem możemy prowadzić nasze projekty szybciej i lepiej. Zapraszamy do współpracy również studentów, wśród których nasze dotychczasowe badania już teraz wzbudzają duże zainteresowanie – zachęcają Weronika Urbańska i Ewa Borowska. Mamy nadzieję na rozwijanie dalszych pomysłów na Wydziale Inżynierii Środowiska PWr.

mic