主筆、視頻制作：于梅君
在月球上建房子，要用什么材料？目前我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)已用模擬月壤燒制出了“月壤磚”，近日，“月壤磚”將搭乘“天舟八號(hào)”貨運(yùn)飛船飛向中國(guó)空間站，到太空去做暴露實(shí)驗(yàn)。有了月壤磚，又該如何在月球建房子？未來(lái)月球基地上的房子會(huì)是啥模樣？
榫卯結(jié)構(gòu)的“月壤磚”是如何煉成的
日常建筑用磚一般有紅磚、青磚以及混凝土磚，但你聽說(shuō)過(guò)“月壤磚”嗎？“月壤磚”需要經(jīng)受怎樣的考驗(yàn)，才能肩負(fù)起月球蓋房子的重任？
月面月晝溫度超過(guò)180℃，月夜又能降到-190℃，想要蓋房子，首先要接受溫度劇烈變化的挑戰(zhàn)。因?yàn)闆](méi)有大氣保護(hù)，大量宇宙輻射和許多微隕石會(huì)撞擊月球表面，同時(shí)還有震動(dòng)頻率較高的月震，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。
國(guó)家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心、華中科技大學(xué)教授周誠(chéng)介紹，“月壤磚”呈榫卯結(jié)構(gòu)，密度與普通磚塊相當(dāng)，抗壓強(qiáng)度卻是普通紅磚、混凝土磚的三倍以上，相當(dāng)于每平方厘米能承受1噸多重量。未來(lái)的月球基地，可能采用這樣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行拼裝建造。
榫卯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，源于中國(guó)古代的建筑技藝，依靠精密的幾何吻合，不需要金屬連接件，就能保證建筑物的整體穩(wěn)定性和抗震性能，在地震多發(fā)的復(fù)雜環(huán)境下優(yōu)勢(shì)明顯。
如何用月壤燒制月壤磚？中國(guó)工程院院士、華中科技大學(xué)教授丁烈云表示，月壤里含有多種礦物，它們的熔點(diǎn)不一樣，需要確定一個(gè)最佳的燒制溫度段，使得“月壤磚”能達(dá)到建筑材料所需的強(qiáng)度，“目前，我們可以把月壤磚燒到100兆帕的強(qiáng)度，這個(gè)強(qiáng)度比混凝土還要堅(jiān)硬得多?！?/p>
目前，人類還無(wú)法直接到月球上去燒制“月壤磚”。所以，科研人員采用了真空燒結(jié)的方式——模擬月球的真空環(huán)境，將裝有月壤粉末的石墨模具，整體置于真空熱壓爐內(nèi)進(jìn)行燒制。燒制一爐模擬月壤磚，大概需要24小時(shí)。
“月壤磚”是以100%原位成型的工藝方法制造的，也就是說(shuō)，將來(lái)建設(shè)月球科研站時(shí)，可在月球上就地取材，直接利用月壤、太陽(yáng)能、礦產(chǎn)等月面原位資源蓋房子，不用再?gòu)牡厍蛏线\(yùn)輸，這樣能極大降低月面建造成本，為未來(lái)太空探索提供綠色、低碳的解決方案。
“月壤磚”為何要先到空間站逛一圈
為驗(yàn)證“月壤磚”的性能，近日，“月壤磚”樣品要搭乘“天舟八號(hào)”貨運(yùn)飛船前往中國(guó)空間站。在完成太空實(shí)驗(yàn)后，第一塊“月壤磚”預(yù)計(jì)將于2025年年底返回地球。
“月壤磚”的太空之旅，有三大關(guān)鍵性能要驗(yàn)證，一是“月壤磚”的力學(xué)性能，太空環(huán)境下，檢驗(yàn)樣品的力學(xué)性能會(huì)不會(huì)退化十分關(guān)鍵；二是驗(yàn)證“月壤磚”熱學(xué)性能的變化；三是驗(yàn)證輻射作用對(duì)“月壤磚”的影響，因?yàn)樵虑蚴钦婵窄h(huán)境，存在大量宇宙輻射，“月壤磚”能否經(jīng)受住宇宙輻射作用，也非常值得檢驗(yàn)。
為充分利用太空實(shí)測(cè)的珍貴機(jī)會(huì)，研究團(tuán)隊(duì)將帶到中國(guó)空間站的“月壤磚”設(shè)計(jì)為柱狀和片狀兩種形態(tài)：柱狀“月壤磚”主要用于力學(xué)測(cè)試；暴露面積較大的片狀“月壤磚”，則用于熱學(xué)和輻射效應(yīng)測(cè)試。
除了形態(tài)不同，這些“月壤磚”還使用了5種不同的模擬月壤成分、3種不同的燒結(jié)工藝，為后續(xù)月球基地的建設(shè)，提供更準(zhǔn)確的科研數(shù)據(jù)。這些模擬“月壤磚”在太空暴露實(shí)驗(yàn)后，將為未來(lái)月面建設(shè)積累科研數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化實(shí)際方案。
“月亮屋”起名“月壺尊”，像個(gè)大蛋殼
月球基地及其配套設(shè)施，將成為支撐深空可持續(xù)探測(cè)活動(dòng)的關(guān)鍵基石?？稍虑蚰敲创?，“房子”蓋在哪兒？怎么蓋？
在華中科技大學(xué)的國(guó)家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心，實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)沙盤，模擬了未來(lái)月球基地的場(chǎng)景。一個(gè)像雞蛋殼一樣圓弧結(jié)構(gòu)的建筑，就是科研人員設(shè)計(jì)的“月球屋”雛形，它有一個(gè)生動(dòng)的名字叫“月壺尊”。
作為建筑物，“月壺尊”里面并沒(méi)有承重的“四梁八柱”，蛋殼頂端是穹頂結(jié)構(gòu)，蛋殼體分內(nèi)外兩層，中間夾一層類似于肋骨的結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)穩(wěn)定性。
華中科技大學(xué)教授周誠(chéng)介紹，這款“月壺尊”屬于縮小版，它真實(shí)的長(zhǎng)寬均為3米，類似于一個(gè)圓形結(jié)構(gòu)的房子，房間分成上下兩層，分成工作間和休息間。
這個(gè)大膽構(gòu)想，是中國(guó)工程院院士、華中科技大學(xué)教授丁烈云團(tuán)隊(duì)提出的?！霸旅婊夭豢赡軓牡厍蛏蠑y帶建筑材料去建造，這樣的話建筑成本會(huì)極貴?！倍×以茖ⅰ霸聣刈稹倍ㄎ粸椤霸唤ㄔ臁保唇ㄔ觳牧现饕獊?lái)源于月球。
月球表面晝夜溫差很大，“建筑樣式應(yīng)充分考慮保溫隔熱?！敝苷\(chéng)表示，在月面建什么樣的建筑，他們一直在進(jìn)行各種嘗試。2021年底，外形像豎立雞蛋殼的“月壺尊”，成為月面基地建筑物的定型樣式，既體現(xiàn)了中國(guó)元素又有科技感。
周誠(chéng)介紹，月表地震頻繁，雞蛋殼一樣的殼體結(jié)構(gòu)，可以抗擊小地震，保持更好的穩(wěn)定性，同時(shí)，投放進(jìn)蛋殼內(nèi)的氣囊可以自動(dòng)展開，具有很好的保溫隔熱性能，可以形成真正的居住空間，“我們希望使用材料越少越好，這樣它的自重就比較輕，同時(shí)還要進(jìn)一步提高它的強(qiáng)度?！?/p>
周誠(chéng)表示，中國(guó)的探月工程表明，月球南極可能有連續(xù)光照的區(qū)域，可作為月球基地的理想選址。
“月蜘蛛”機(jī)器人，將用于基地建造
磚有了，“月亮屋”雛形也有了，那么誰(shuí)來(lái)蓋房子？用人力顯然無(wú)法實(shí)現(xiàn)，只能靠自動(dòng)化的機(jī)器和設(shè)備。
去年在武漢舉行的首屆地外建造學(xué)術(shù)研討會(huì)上，眾多專家學(xué)者圍繞“如何在月亮上蓋房子”展開熱議。中國(guó)工程院院士、華中科技大學(xué)教授丁烈云描繪了月球上造房子的圖景：“月壺尊”既可以在月球上采用3D打印施工，也可以利用月表機(jī)器人對(duì)“月壤磚”進(jìn)行拼裝施工。
丁烈云介紹，2015年，他從建筑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。他們借鑒中國(guó)傳統(tǒng)砌筑和榫卯連接方式，將中國(guó)傳統(tǒng)制磚砌筑的建造方法，與3D打印建造方法相結(jié)合，利用月壤燒出帶有榫卯結(jié)構(gòu)的月壤磚，再用機(jī)器人砌筑，像搭“樂(lè)高”一樣在月球上蓋房子。這種方式不僅可以搭建出較大尺寸的月面建筑結(jié)構(gòu)，而且能耗和造價(jià)更低。
“將一瓶礦泉水重量的材料運(yùn)到月球，可能花費(fèi)20萬(wàn)美元?！倍×以票硎荆甙旱某杀疽惨馕吨?，地外建造所需的鋼筋、混凝土、水等材料，不可能都從地球上“外帶”，只有盡可能利用天然月壤材料進(jìn)行原位建造。
丁烈云透露，團(tuán)隊(duì)正在參與研發(fā)“月蜘蛛”機(jī)器人，未來(lái)將用于月球基地建造。
“月蜘蛛”屬于3D打印機(jī)器人，遠(yuǎn)看像蜘蛛，上部分是混聯(lián)機(jī)械臂，下部分是多足平臺(tái)?！霸轮┲搿睓C(jī)器人有6只“腳”，平臺(tái)上安裝有機(jī)械“手臂”，“手臂”能360度旋轉(zhuǎn)，水平、豎向作業(yè)空間可達(dá)6米，“手臂”前端可更換不同的工具，完成挖、鉆、振、搗等任務(wù)，施工時(shí)機(jī)械臂也可換成3D打印機(jī)。
丁烈云介紹，未來(lái)由運(yùn)載火箭發(fā)射升空的“月蜘蛛”，能快速找到適合的地點(diǎn)精準(zhǔn)著陸。確定建造位置后，“月蜘蛛”將先開挖一個(gè)環(huán)形圈，然后在圈上打印出工作站的地基，接著利用原位月壤3D打印建筑墻體、放入可擴(kuò)展氣囊、噴涂防護(hù)等，建造的蛋殼建筑內(nèi)有兩層，上層為生活區(qū)，下層為工作區(qū)。
按照專家預(yù)測(cè)，2028年左右，“中國(guó)超級(jí)泥瓦匠”——也就是“月蜘蛛”機(jī)器人，就可能登陸月球，開始制作第一塊真正的月球磚。未來(lái)，一座座由“月壤磚”搭成的建筑，將在月球上拔地而起。
“月面基地建造工程化是一個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)?！倍×以平榻B，目前還有一系列問(wèn)題要解決，比方說(shuō)打印好“月壺尊”以后，里面充氣設(shè)施如何工作、“月壺尊”的具體選址等問(wèn)題，都需要一個(gè)個(gè)解決。
“目前我們所做的就是從0到1的探索，通過(guò)進(jìn)一步月球勘探，說(shuō)不定未來(lái)還會(huì)采用更新的技術(shù)路徑來(lái)建造月球基地?！倍×以票硎荆虑蚧亟ㄔ斓难芯?，也可以催生出新的技術(shù)和業(yè)態(tài)，如3D打印建造、機(jī)器人砌筑等。
知多一點(diǎn)
新發(fā)現(xiàn)的月球洞穴，或可為宇航員提供天然庇護(hù)
一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)最近在英國(guó)《自然·天文學(xué)》雜志發(fā)表研究成果說(shuō)，他們?cè)谠虑蜢o海區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一處熔巖管洞穴，這處洞穴以及其他類似的洞穴，或可為宇航員提供天然庇護(hù)。
由意大利特倫托大學(xué)學(xué)者領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)，分析了美國(guó)航天局探測(cè)器獲取的月球觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在月球靜海區(qū)域表面下，存在一處熔巖管洞穴，所處位置距“阿波羅11號(hào)”飛船的落月點(diǎn)約400公里。研究人員估計(jì)，整個(gè)洞穴至少寬40米，長(zhǎng)幾十米，并且有入口。
熔巖管洞穴是一種特殊的洞穴類型，是熔巖在流動(dòng)并固結(jié)過(guò)程中形成的中空管道。越來(lái)越多證據(jù)表明，月球表面下方存在著錯(cuò)綜復(fù)雜、蜿蜒曲折的隧道網(wǎng)絡(luò)——熔巖管。由于內(nèi)部中空，在月球本身的構(gòu)造活動(dòng)和隕石的撞擊下，熔巖管非常容易塌陷。
光是月球表面，人類就發(fā)現(xiàn)了200多個(gè)被稱為“天窗”的熔巖管塌陷坑。如果能通過(guò)“天窗”進(jìn)入熔巖管的其余部分，或者有幸找到大型地下洞穴，那里的環(huán)境或許比月球表面更加溫暖，住在里面可以免受有害宇宙射線、太陽(yáng)輻射和微隕石的傷害。
由于熔巖管內(nèi)為永久陰影區(qū)，而且地勢(shì)低洼，內(nèi)部很有可能有月球上的水冰。一旦真的能夠發(fā)現(xiàn)大量水冰，將為人類在月球的生產(chǎn)生活提供充分保障。
研究人員介紹，未來(lái)這類洞穴有潛力發(fā)揮天然庇護(hù)所的作用，可能只需進(jìn)行洞穴墻體加固或搭建一些設(shè)施，就能幫助宇航員抵御宇宙射線和太陽(yáng)輻射，并持續(xù)開展探索活動(dòng)，這比在月球上修建全新的庇護(hù)基地顯然簡(jiǎn)單很多。
