主筆、視頻制作：于梅君
在月球上建房子，要用什么材料？目前我國科研團隊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”貨運飛船飛向中國空間站，到太空去做暴露實驗。有了月壤磚，又該如何在月球建房子？未來月球基地上的房子會是啥模樣？
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，但你聽說過“月壤磚”嗎？“月壤磚”需要經(jīng)受怎樣的考驗，才能肩負起月球蓋房子的重任？
月面月晝溫度超過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)。因為沒有大氣保護，大量宇宙輻射和許多微隕石會撞擊月球表面，同時還有震動頻率較高的月震，這些都會對月面建筑材料的力學性能、熱學性能和抗輻射性能提出苛刻要求。
國家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心、華中科技大學教授周誠介紹，“月壤磚”呈榫卯結(jié)構(gòu)，密度與普通磚塊相當，抗壓強度卻是普通紅磚、混凝土磚的三倍以上，相當于每平方厘米能承受1噸多重量。未來的月球基地，可能采用這樣的結(jié)構(gòu)進行拼裝建造。
榫卯結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理，源于中國古代的建筑技藝，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)的復雜環(huán)境下優(yōu)勢明顯。
如何用月壤燒制月壤磚？中國工程院院士、華中科技大學教授丁烈云表示，月壤里含有多種礦物，它們的熔點不一樣，需要確定一個最佳的燒制溫度段，使得“月壤磚”能達到建筑材料所需的強度，“目前，我們可以把月壤磚燒到100兆帕的強度，這個強度比混凝土還要堅硬得多?！?/p>
目前，人類還無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)進行燒制。燒制一爐模擬月壤磚，大概需要24小時。
“月壤磚”是以100%原位成型的工藝方法制造的，也就是說，將來建設(shè)月球科研站時，可在月球上就地取材，直接利用月壤、太陽能、礦產(chǎn)等月面原位資源蓋房子，不用再從地球上運輸，這樣能極大降低月面建造成本，為未來太空探索提供綠色、低碳的解決方案。
“月壤磚”為何要先到空間站逛一圈
為驗證“月壤磚”的性能，近日，“月壤磚”樣品要搭乘“天舟八號”貨運飛船前往中國空間站。在完成太空實驗后，第一塊“月壤磚”預計將于2025年年底返回地球。
“月壤磚”的太空之旅，有三大關(guān)鍵性能要驗證，一是“月壤磚”的力學性能，太空環(huán)境下，檢驗樣品的力學性能會不會退化十分關(guān)鍵；二是驗證“月壤磚”熱學性能的變化；三是驗證輻射作用對“月壤磚”的影響，因為月球是真空環(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。
為充分利用太空實測的珍貴機會，研究團隊將帶到中國空間站的“月壤磚”設(shè)計為柱狀和片狀兩種形態(tài)：柱狀“月壤磚”主要用于力學測試；暴露面積較大的片狀“月壤磚”，則用于熱學和輻射效應測試。
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)，提供更準確的科研數(shù)據(jù)。這些模擬“月壤磚”在太空暴露實驗后，將為未來月面建設(shè)積累科研數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化實際方案。
“月亮屋”起名“月壺尊”，像個大蛋殼
月球基地及其配套設(shè)施，將成為支撐深空可持續(xù)探測活動的關(guān)鍵基石?？稍虑蚰敲创?，“房子”蓋在哪兒？怎么蓋？
在華中科技大學的國家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心，實驗室的一個沙盤，模擬了未來月球基地的場景。一個像雞蛋殼一樣圓弧結(jié)構(gòu)的建筑，就是科研人員設(shè)計的“月球屋”雛形，它有一個生動的名字叫“月壺尊”。
作為建筑物，“月壺尊”里面并沒有承重的“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)，以增強穩(wěn)定性。
華中科技大學教授周誠介紹，這款“月壺尊”屬于縮小版，它真實的長寬均為3米，類似于一個圓形結(jié)構(gòu)的房子，房間分成上下兩層，分成工作間和休息間。
這個大膽構(gòu)想，是中國工程院院士、華中科技大學教授丁烈云團隊提出的?！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極貴。”丁烈云將“月壺尊”定位為“原位建造”，即建造材料主要來源于月球。
月球表面晝夜溫差很大，“建筑樣式應充分考慮保溫隔熱?！敝苷\表示，在月面建什么樣的建筑，他們一直在進行各種嘗試。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)了中國元素又有科技感。
周誠介紹，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，投放進蛋殼內(nèi)的氣囊可以自動展開，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，同時還要進一步提高它的強度?！?/p>
周誠表示，中國的探月工程表明，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”機器人，將用于基地建造
磚有了，“月亮屋”雛形也有了，那么誰來蓋房子？用人力顯然無法實現(xiàn)，只能靠自動化的機器和設(shè)備。
去年在武漢舉行的首屆地外建造學術(shù)研討會上，眾多專家學者圍繞“如何在月亮上蓋房子”展開熱議。中國工程院院士、華中科技大學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，也可以利用月表機器人對“月壤磚”進行拼裝施工。
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)團隊從事月面基地建造研究。他們借鑒中國傳統(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，利用月壤燒出帶有榫卯結(jié)構(gòu)的月壤磚，再用機器人砌筑，像搭“樂高”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)，而且能耗和造價更低。
“將一瓶礦泉水重量的材料運到月球，可能花費20萬美元。”丁烈云表示，高昂的成本也意味著，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行原位建造。
丁烈云透露，團隊正在參與研發(fā)“月蜘蛛”機器人，未來將用于月球基地建造。
“月蜘蛛”屬于3D打印機器人，遠看像蜘蛛，上部分是混聯(lián)機械臂，下部分是多足平臺?！霸轮┲搿睓C器人有6只“腳”，平臺上安裝有機械“手臂”，“手臂”能360度旋轉(zhuǎn)，水平、豎向作業(yè)空間可達6米，“手臂”前端可更換不同的工具，完成挖、鉆、振、搗等任務，施工時機械臂也可換成3D打印機。
丁烈云介紹，未來由運載火箭發(fā)射升空的“月蜘蛛”，能快速找到適合的地點精準著陸。確定建造位置后，“月蜘蛛”將先開挖一個環(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、放入可擴展氣囊、噴涂防護等，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)。
按照專家預測，2028年左右，“中國超級泥瓦匠”——也就是“月蜘蛛”機器人，就可能登陸月球，開始制作第一塊真正的月球磚。未來，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長遠目標。”丁烈云介紹，目前還有一系列問題要解決，比方說打印好“月壺尊”以后，里面充氣設(shè)施如何工作、“月壺尊”的具體選址等問題，都需要一個個解決。
“目前我們所做的就是從0到1的探索，通過進一步月球勘探，說不定未來還會采用更新的技術(shù)路徑來建造月球基地?！倍×以票硎?，月球基地建造的研究，也可以催生出新的技術(shù)和業(yè)態(tài)，如3D打印建造、機器人砌筑等。
知多一點
新發(fā)現(xiàn)的月球洞穴，或可為宇航員提供天然庇護
一個國際團隊最近在英國《自然·天文學》雜志發(fā)表研究成果說，他們在月球靜海區(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。
由意大利特倫托大學學者領(lǐng)銜的團隊，分析了美國航天局探測器獲取的月球觀測數(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”飛船的落月點約400公里。研究人員估計，整個洞穴至少寬40米，長幾十米，并且有入口。
熔巖管洞穴是一種特殊的洞穴類型，是熔巖在流動并固結(jié)過程中形成的中空管道。越來越多證據(jù)表明，月球表面下方存在著錯綜復雜、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多個被稱為“天窗”的熔巖管塌陷坑。如果能通過“天窗”進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，未來這類洞穴有潛力發(fā)揮天然庇護所的作用，可能只需進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輻射，并持續(xù)開展探索活動，這比在月球上修建全新的庇護基地顯然簡單很多。
