月壤磚： 在月球蓋房子的第一步

隨著我國探月工程的不斷推進(jìn)，在月亮上蓋房子也成為探月工程的一個(gè)規(guī)劃目標(biāo)。既然要蓋房子，就需要建筑材料，“月壤磚”的研究也被提上日程。2024年9月1日，在《開學(xué)第一課》節(jié)目中，科學(xué)家團(tuán)隊(duì)帶來了最新研制的月壤磚，讓人新奇不已。

在月球上蓋房子，并非遙不可及

月面建造是隨著人類登月活動(dòng)的展開而被提出的。1969年，在人類首次登月后，引發(fā)了世界對(duì)月面建造技術(shù)的研究熱潮。當(dāng)時(shí)提出的技術(shù)路徑是全部地面研制，運(yùn)載發(fā)射，月面直接應(yīng)用。1993年到2018年，月面建造研究得到進(jìn)一步發(fā)展，美國宇航局提出“月球前哨”概念，歐洲航天局提出“月球棲息地”構(gòu)想，主要技術(shù)路徑是地面研制為主，月面展開部署，月面擴(kuò)建維護(hù)。

但是，相比于傳統(tǒng)建造，月面建造面對(duì)的問題和挑戰(zhàn)非常復(fù)雜。首先是要克服弱重力、強(qiáng)輻射等極端環(huán)境的考驗(yàn)。其次，月球處于超高真空環(huán)境，并存在三百多攝氏度的溫差，傳統(tǒng)土木建造方式幾乎無法實(shí)施，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也無法保證。另外，高昂的成本也意味著，從地球上向月球運(yùn)輸鋼筋、混凝土、水等建筑材料也不切實(shí)際。除此之外，因?yàn)闆]有大氣層的保護(hù)，宇宙射線的強(qiáng)輻射、太陽風(fēng)、微隕石等會(huì)撞擊月球表面，同時(shí)月球每年約有1000次2-3級(jí)的月震。這些都會(huì)對(duì)月面建筑材料的力學(xué)性能、熱學(xué)性能和抗輻射性能提出苛刻要求。

月球表面

面對(duì)這個(gè)人類共同的技術(shù)課題，我國科學(xué)家提出了自己的思考，就是在現(xiàn)有條件下，充分利用月球原位資源，結(jié)合地面成熟的建造技術(shù)，創(chuàng)新構(gòu)建月球人機(jī)協(xié)同建造體系，實(shí)現(xiàn)月面建造智能化實(shí)施。

2015年，中國工程院院士、國家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心首席科學(xué)家丁烈云從建筑3D打印中獲得啟發(fā)，開始帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從事月面基地建造研究。目前，國外建造月面基地的技術(shù)思路是高能束3D打印，但存在大尺寸結(jié)構(gòu)一次性成型困難、耗能大等問題。華中科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)為了解決這一問題，借鑒了中國傳統(tǒng)砌筑和榫卯連接方式，將中國傳統(tǒng)制磚砌筑的建造方法與3D打印建造方法相結(jié)合，利用模擬月壤粉燒出帶有榫卯結(jié)構(gòu)的月壤磚，再用機(jī)器人砌筑，這樣，即便一個(gè)砌塊打印壞了，也只影響一塊?；诖思夹g(shù)，他們?cè)O(shè)計(jì)了月面建筑的雛形——一個(gè)像蛋殼一樣的雙層穹頂結(jié)構(gòu)，取名為“月壺尊“；負(fù)責(zé)打印和拼裝的“中國超級(jí)泥瓦匠”——月蜘蛛打印機(jī)器人也正在設(shè)計(jì)中。

月壺尊設(shè)計(jì)示意圖

“中國超級(jí)泥瓦匠”機(jī)器人雛形

可喜的是，模擬“月壤磚”燒制獲得初步成果，國內(nèi)首個(gè)"月壤磚"已被制備出來，并計(jì)劃通過天舟八號(hào)送往中國空間站，進(jìn)行太空暴露試驗(yàn)。在完成太空試驗(yàn)后，第一塊“月壤磚”預(yù)計(jì)將在2025年年底返回地球。

模擬月壤磚示意圖

這些模擬月壤磚在空間站上驗(yàn)證的三大關(guān)鍵性能包括：“月壤磚”的力學(xué)性能經(jīng)歷暴露實(shí)驗(yàn)后會(huì)不會(huì)退化，這一性能和建房子關(guān)系最大；“月壤磚”熱學(xué)性能會(huì)因?yàn)榫薮蟮臏夭町a(chǎn)生什么變化，這樣可以了解它的保溫和隔熱性能如何；“月壤磚”在空間站上收到大量宇宙輻射的影響后會(huì)不會(huì)發(fā)生變化。這三大性能是這次“月壤磚”在空間站完成暴露實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)，這將為中國進(jìn)一步探索月球作出重大貢獻(xiàn)。

月壤磚，月面原位建造的關(guān)鍵材料

月壤就是月球表面的土壤，月面原位建造技術(shù)就是要充分利用月壤資源，就地取材或者一次性供給后能夠?qū)崿F(xiàn)自我循環(huán)。而“燒結(jié)制磚技術(shù)“是實(shí)現(xiàn)這種月面資源自給自足的重要手段之一。我國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)采用了模擬月壤燒結(jié)試驗(yàn)，目前已經(jīng)完成模擬月壤的三種燒結(jié)試驗(yàn)，分別為真空燒結(jié)、惰性氣體燒結(jié)、空氣燒結(jié)。

其中，模擬月壤在惰性氣體中燒結(jié)強(qiáng)度最高，能達(dá)到100多兆帕。而真空燒結(jié)是采用石墨模具，需要對(duì)模擬月壤稱重，按照重量將模擬月壤粉末裝填在模具內(nèi)部一個(gè)直徑18毫米的空腔中，以石墨的壓頭對(duì)它進(jìn)行壓實(shí)，壓實(shí)之后，再把它整個(gè)組裝好；然后連同石墨模具，放到一個(gè)真空的燒結(jié)爐內(nèi)部進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)爐的真空度可以達(dá)到10的負(fù)2次方帕，它主要是采用一種電加熱，內(nèi)部分布有10根硅鉬材料的加熱棒，通電之后就可以產(chǎn)生熱量。模擬月壤和石墨被放置在爐子內(nèi)部，熱量就可以在抽真空之后，通過熱輻射的方式對(duì)材料進(jìn)行加熱。燒制一爐真空環(huán)境的模擬月球磚大概需要24小時(shí)。還有一種方式是空氣燒結(jié)，指模擬月壤在大氣環(huán)境下進(jìn)行的燒結(jié)過程，適用于那些不需要防止氧化或?qū)ρ趸幻舾械牟牧稀?/p>

模擬月壤粉

另外，科學(xué)家團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了其他燒結(jié)試驗(yàn)。例如采用電磁感應(yīng)燒結(jié)爐的方式進(jìn)行燒結(jié)。月壤材料被放在坩堝中間，通過電能轉(zhuǎn)化為熱能的方式，電磁感應(yīng)燒結(jié)爐可以將溫度加熱到1000℃以上，對(duì)模具進(jìn)行加熱，十分鐘左右，一個(gè)長18厘米的模擬月球磚就燒制完成了。再如，有的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)通過一個(gè)菲涅爾透鏡，把太陽光聚焦在一個(gè)點(diǎn)上，將來這個(gè)點(diǎn)上放的是月壤，通過聚焦點(diǎn)的高溫把月壤燒結(jié)成磚。

除了探索月壤燒結(jié)制磚技術(shù)，這些模擬月壤磚能否經(jīng)受住月球上的極端環(huán)境考驗(yàn)，也是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。眾所周知，月表最低溫度-196℃、最高氣溫120℃，這些模擬月壤磚需要通過月表環(huán)境一個(gè)循環(huán)的考驗(yàn)（一個(gè)循環(huán)指14天月晝和14天月夜），才能驗(yàn)證其性能是否可靠。

在月球上蓋房子是人類的一個(gè)偉大而美麗的夢想，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，關(guān)于對(duì)月球的探索，甚至對(duì)更遠(yuǎn)深空的探索，人類還將有無限暢想，也有著無限的可能。

部分信息來源于科學(xué)網(wǎng)、央視網(wǎng)、新華網(wǎng)等

（科學(xué)性審核：鄭永春，空間科學(xué)傳播專家工作室）

責(zé)任編輯：王磊