月壤可烧成砖！看“超级泥瓦匠”如何造“月球屋”
专栏
2024-03-29 00:03
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当前，我国正全面推进探月工程四期，规划包括嫦娥六号、嫦娥七号和嫦娥八号任务。中国探月工程总设计师吴伟仁院士曾介绍，2024年前后，嫦娥六号要去月球背面采样；2026年前后，嫦娥七号计划在月球南极着陆，到月球上去找水；再往后，嫦娥八号不仅要进行月球物质的勘察，还要承担3D打印盖房子的工作。最终，要在月球南极建成一个基本型的科研站。到月球建科研站，用什么建？怎么建？月球上低重力、强辐射、温差大、真空，还不时有月震，而且月面环境复杂、材料单一，这些都让未来月球上的建造工程成为极具挑战的超级工程。
探访国家数字建造技术创新中心
从2015年开始，华中科技大学在国内率先开始了相关的研究工作，一起进入前沿探访。
在华中科技大学的国家数字建造技术创新中心，实验室的一个沙盘模拟了未来月球基地的场景。一个像鸡蛋壳一样圆弧结构的建筑就是科研人员设计的月球屋雏形，它有一个生动的名字叫月壶尊。作为建筑物，月壶尊里并没有承重的四梁八柱，蛋壳顶端是穹顶结构，蛋壳体分内外两层，中间夹杂了一层加肋结构，增强稳定性。
国家数字建造技术创新中心、华中科技大学教授 周诚：月面的建造主要受到当地极端环境条件的限制，比如小重力环境、真空环境，同时还有月震、剧烈变化的温度条件，月昼温度超过180℃，月夜又到-190℃。这些环境非常苛刻，可能对我们的月面建筑的结构、材料，以及使用过程产生非常大的影响。
团队介绍，鸡蛋壳一样的壳体结构可以保持更好的稳定性，同时，投放进蛋壳内的气囊可以自动展开，这层结构具有很好的保温隔热性能，可以形成真正的居住空间。
国家数字建造技术创新中心、华中科技大学教授 周诚：我们希望使用材料越少越好，这样它的自重就比较轻，同时要进一步提高它的强度。相关的成果也刚刚发表在一个国际顶级的期刊上，为我们找到一种好的构型，能够适应月面的极端环境来做一些研究工作。
“月壤砖”从何而来？如何烧制？
“运输一瓶矿泉水重量的材料去月球要花费20万美元”，人们用这个高昂的成本来比拟星际运输。这意味着科研团队只能尽可能利用月球材料进行原位建造，也就是利用月壤作为建造材料，那又该如何烧制“月壤砖”呢？
总台央视记者 张春玲：要想在月球上盖房子，很重要的一个步骤就是我们首先要有材料。而月球上就是月壤，月壤通过什么样的方式可以烧结成为砖？在实验室，我们看到，一些研发人员在对如何烧结成月壤砖进行测试。
华中科技大学土木与水利工程学院学生 汪朋霖：电磁感应烧结炉是通过将电能转化成热能的方式，对模具进行加热。我们平时在使用的过程中，将月壤的材料放在坩埚中间，就能对其进行均匀加热以及升温。
科研人员用实验室模拟出的月壤材料就类似沙土一样，是分散的，他们需要通过高温进行烧制，电磁感应烧结炉可以将温度加热至1000℃以上，十分钟左右，一个长18厘米的模拟月球砖就烧制完成了。而同一个实验室的另一个实验区在尝试另一种烧砖制备方式。
华中科技大学土木与水利工程学院 博士研究生 韩文彬：我们主要采用一种真空烧结的方式，对模拟月壤进行烧结成型。我们采用的石墨模具，内部有一个直径18毫米的空腔。我们首先将模拟月壤的粉末装填在内部，以石墨的压头对它进行压实，压实之后，再把它整个组装好；然后连同石墨模具，放到一个真空的烧结炉内部进行烧结。这个烧结炉的真空度可以达到10的负2次方帕，它主要是采用一种电加热，内部分布有10根加热棒，它是硅钼材料，通电之后就可以产生热量。我们将模拟月壤和石墨放置在炉子内部，热量就可以在抽真空之后，通过热辐射的方式对材料进行加热。
科研人员介绍，烧制一炉真空环境的模拟月球砖大概需要24小时，之所以探索这种真空的烧结测试，也是源于月球的真空环境进行一种模拟探索。
华中科技大学土木与水利工程学院学生 李渊：我们是通过一个菲涅尔透镜，把太阳光聚焦在一个点上，将来这个点上放的是月壤，通过聚焦点的高温把月壤烧结成砖。在月球上，一个白天的时间是比较长的，非常有利于在月球上进行太阳能烧结建造。
“超级泥瓦匠” 3D打印建造“月球屋”
砖有了，怎么盖房子？用人力显然无法实现。只能靠自动化的机器和设备实现。科研团队在研究初期就发现，使用3D打印技术，是一个可以探索的路径。现在就让我们看看，这些“超级泥瓦匠”如何建造“月球屋”。
华中科技大学土木与水利工程学院学生陈权要：我们要利用月面原位资源来建造月壶尊基地，我们配置了跟月壤性质类似的材料，配置以后，完成月面基地3D打印的建造。针对我们打印完的成品，首先要将打印的结构和设计的结构进行对比，判断它的打印精度，识别出误差后，再进行调整，方便下一次打印实验。
当然月球基地的建造方案也是多种多样的。如月球上工作的蜘蛛机器人通过真空烧砖、组装、连接等，像搭乐高积木一样建造月球家园。为了能够让月球基地更加结实，科研人员还创造性的在全球首次提出用中国传统建筑的榫卯结构来搭建月球屋。中国建筑的匠人智慧与现代科技实现了完美结合。现在，月球屋从材料到烧制工艺，到施工方案，以及机器人设备研发都在同步推进。这些技术的进步，对我们地球工程技术的发展也将产生重要影响。最后，仰望星空，让我们通过一张科学家绘制的月球基地图，来畅想人类的未来吧！
在月球上建设科研站，相关的研究还在持续推进。也有方案提出，把月球熔岩管道洞穴用于月球科研站建设，以避免巨大温差、高强度辐射和陨石撞击等安全隐患，还能利用月球熔岩管道建设月球农场。究竟将来会用哪种方案，建设月球科研站，目前还在进一步研究论证。随着科学技术的不断进步，关于月球，关于对月球的探索，甚至对更远深空的探索，人类还有无限畅想，也有着无限的可能。
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当前，我国正全面推进探月工程四期，规划包括嫦娥六号、嫦娥七号和嫦娥八号任务。中国探月工程总设计师吴伟仁院士曾介绍，2024年前后，嫦娥六号要去月球背面采样；2026年前后，嫦娥七号计划在月球南极着陆，到月球上去找水；再往后，嫦娥八号不仅要进行月球物质的勘察，还要承担3D打印盖房子的工作。最终，要在月球南极建成一个基本型的科研站。到月球建科研站，用什么建？怎么建？月球上低重力、强辐射、温差大、真空，还不时有月震，而且月面环境复杂、材料单一，这些都让未来月球上的建造工程成为极具挑战的超级工程。
探访国家数字建造技术创新中心
从2015年开始，华中科技大学在国内率先开始了相关的研究工作，一起进入前沿探访。
在华中科技大学的国家数字建造技术创新中心，实验室的一个沙盘模拟了未来月球基地的场景。一个像鸡蛋壳一样圆弧结构的建筑就是科研人员设计的月球屋雏形，它有一个生动的名字叫月壶尊。作为建筑物，月壶尊里并没有承重的四梁八柱，蛋壳顶端是穹顶结构，蛋壳体分内外两层，中间夹杂了一层加肋结构，增强稳定性。
国家数字建造技术创新中心、华中科技大学教授 周诚：月面的建造主要受到当地极端环境条件的限制，比如小重力环境、真空环境，同时还有月震、剧烈变化的温度条件，月昼温度超过180℃，月夜又到-190℃。这些环境非常苛刻，可能对我们的月面建筑的结构、材料，以及使用过程产生非常大的影响。
团队介绍，鸡蛋壳一样的壳体结构可以保持更好的稳定性，同时，投放进蛋壳内的气囊可以自动展开，这层结构具有很好的保温隔热性能，可以形成真正的居住空间。
国家数字建造技术创新中心、华中科技大学教授 周诚：我们希望使用材料越少越好，这样它的自重就比较轻，同时要进一步提高它的强度。相关的成果也刚刚发表在一个国际顶级的期刊上，为我们找到一种好的构型，能够适应月面的极端环境来做一些研究工作。
“月壤砖”从何而来？如何烧制？
“运输一瓶矿泉水重量的材料去月球要花费20万美元”，人们用这个高昂的成本来比拟星际运输。这意味着科研团队只能尽可能利用月球材料进行原位建造，也就是利用月壤作为建造材料，那又该如何烧制“月壤砖”呢？
总台央视记者 张春玲：要想在月球上盖房子，很重要的一个步骤就是我们首先要有材料。而月球上就是月壤，月壤通过什么样的方式可以烧结成为砖？在实验室，我们看到，一些研发人员在对如何烧结成月壤砖进行测试。
华中科技大学土木与水利工程学院学生 汪朋霖：电磁感应烧结炉是通过将电能转化成热能的方式，对模具进行加热。我们平时在使用的过程中，将月壤的材料放在坩埚中间，就能对其进行均匀加热以及升温。
科研人员用实验室模拟出的月壤材料就类似沙土一样，是分散的，他们需要通过高温进行烧制，电磁感应烧结炉可以将温度加热至1000℃以上，十分钟左右，一个长18厘米的模拟月球砖就烧制完成了。而同一个实验室的另一个实验区在尝试另一种烧砖制备方式。
华中科技大学土木与水利工程学院 博士研究生 韩文彬：我们主要采用一种真空烧结的方式，对模拟月壤进行烧结成型。我们采用的石墨模具，内部有一个直径18毫米的空腔。我们首先将模拟月壤的粉末装填在内部，以石墨的压头对它进行压实，压实之后，再把它整个组装好；然后连同石墨模具，放到一个真空的烧结炉内部进行烧结。这个烧结炉的真空度可以达到10的负2次方帕，它主要是采用一种电加热，内部分布有10根加热棒，它是硅钼材料，通电之后就可以产生热量。我们将模拟月壤和石墨放置在炉子内部，热量就可以在抽真空之后，通过热辐射的方式对材料进行加热。
科研人员介绍，烧制一炉真空环境的模拟月球砖大概需要24小时，之所以探索这种真空的烧结测试，也是源于月球的真空环境进行一种模拟探索。
华中科技大学土木与水利工程学院学生 李渊：我们是通过一个菲涅尔透镜，把太阳光聚焦在一个点上，将来这个点上放的是月壤，通过聚焦点的高温把月壤烧结成砖。在月球上，一个白天的时间是比较长的，非常有利于在月球上进行太阳能烧结建造。
“超级泥瓦匠” 3D打印建造“月球屋”
砖有了，怎么盖房子？用人力显然无法实现。只能靠自动化的机器和设备实现。科研团队在研究初期就发现，使用3D打印技术，是一个可以探索的路径。现在就让我们看看，这些“超级泥瓦匠”如何建造“月球屋”。
华中科技大学土木与水利工程学院学生陈权要：我们要利用月面原位资源来建造月壶尊基地，我们配置了跟月壤性质类似的材料，配置以后，完成月面基地3D打印的建造。针对我们打印完的成品，首先要将打印的结构和设计的结构进行对比，判断它的打印精度，识别出误差后，再进行调整，方便下一次打印实验。
当然月球基地的建造方案也是多种多样的。如月球上工作的蜘蛛机器人通过真空烧砖、组装、连接等，像搭乐高积木一样建造月球家园。为了能够让月球基地更加结实，科研人员还创造性的在全球首次提出用中国传统建筑的榫卯结构来搭建月球屋。中国建筑的匠人智慧与现代科技实现了完美结合。现在，月球屋从材料到烧制工艺，到施工方案，以及机器人设备研发都在同步推进。这些技术的进步，对我们地球工程技术的发展也将产生重要影响。最后，仰望星空，让我们通过一张科学家绘制的月球基地图，来畅想人类的未来吧！
在月球上建设科研站，相关的研究还在持续推进。也有方案提出，把月球熔岩管道洞穴用于月球科研站建设，以避免巨大温差、高强度辐射和陨石撞击等安全隐患，还能利用月球熔岩管道建设月球农场。究竟将来会用哪种方案，建设月球科研站，目前还在进一步研究论证。随着科学技术的不断进步，关于月球，关于对月球的探索，甚至对更远深空的探索，人类还有无限畅想，也有着无限的可能。
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