“月壤砖”上太空，月球盖房不简单

科技 2024-11-25 11:31 北京

11月16日，天舟八号货运飞船与中国空间站组合体完成交会对接。本次“太空快递”的上行物资中，最引人关注的可能是一批“砖头”。原来，它们是由科研人员模拟月壤成分烧制的“月壤砖”，计划开展太空暴露实验，预计自2025年底起分批返回地球，检验其能否胜任未来建造月球基地的重要任务。

其实，科研人员畅想建造月球基地已有半个多世纪了。1963年，美国宇航局与波音公司提出了“阿波罗月球探测系统综合模块”概念，希望在月面布置多个建筑模块，以松软的月壤作为防护层，抵御极端环境，设计可容纳6人持续生存6个月。1986年，美国宇航局约翰逊航天中心又提出了“充气式月球科考基地”概念，建设方案包括日光防护罩、由防辐射风化袋制成的通道、热辐射实验机器人、制氧试点工厂、太阳能系统等。不过，这些早期月球基地建设方案受限于技术、成本等，均停留在纸面上。

“月壤砖”前往中国空间站开展暴露实验

建设月球基地绝不是一件容易的事，选址和建材就是需要着重考虑的关键因素。

一般来说，月球基地选址应考虑4点：一是便于与地球直接通信；二是月面尽量平坦，便于航天器安全着陆；三是受月球昼夜交替影响较小，长期有充足阳光；四是附近蕴藏较丰富的水冰资源。综合权衡各方面条件，在月球两极附近选址建设基地比较理想。

不过，根据月球基地的核心任务不同，其选址的标准和要求也不同。例如，如果要建造月球资源开发基地，选址应与月球资源分布状况密切相关；如果计划建造月球科研基地，那么最好建在月球背面，毕竟那里受地球无线电波干扰较少，更适合开展天文观察和空间物理实验。

初步确定月球基地选址后，如何经济、高效地施工建造呢？为了尽量降低航天运输和维护成本，有必要通过月球资源原位开发获取建造材料，而且应在材料制备过程中降低资源、能源消耗和操作成本，同时确保材料可靠耐用。为此，能源供应和材料性能两大难关仍有待攻克。

一方面，研究表明，在近似真空环境中，“月壤砖”最佳烧结温度是1000～1100摄氏度，将1吨月壤加热至该温度，至少要消耗233千瓦时的能量，相当于100平方米光伏阵列6小时发电量。

另一方面，由于月面缺乏大气压，建筑内压依赖结构承受，再考虑到月面极端温差超过300摄氏度，温度应力较大，对建筑材料的抗拉强度提出了较高的要求。而月壤基材普遍表现为抗压能力强、抗拉能力弱，因此不宜单纯依靠月壤固化来满足所有性能要求。

近年来，随着新一轮国际探月大潮涌动，各国科研单位和企业提出的月面建筑方案呈现爆发式增长，涉及新颖结构设计、无人化施工、太空3D打印技术、月面与地穴勘测等。

据公开资料显示，我国科研工作者相继提出了多种月球基地建设方案。

“月壶尊”月面基地效果图

中国地质大学团队认为，可以尝试利用熔岩管建造月球建筑设施。早期月球遍布高温流动岩浆，其中黏度低的玄武质岩浆边流动边冷却，逐渐形成了一定厚度的外壳，也就是绝热保护层。而内部岩浆仍会流动一段时间，最终形成了深埋上百米、长数十公里、宽数公里的中空管道，即熔岩管。

科研人员推测，在月球熔岩管内部，温度变化幅度和宇宙射线辐射的影响相对较小，极端温差很可能不超过50摄氏度，比月面更适合人类生存，还有可能获取水冰资源，有利于开展生物实验。

哈尔滨工业大学团队从极地建筑学角度出发，提出了“三叶草”和“中国星”两种月球科考基地设计布局。总体来看，科研人员设想采用柔性快速充气式展开舱体，利用多层夹心结构、多功能防护层，配合月壤3D打印技术，使月球建筑具备多种功能，削弱月面复杂环境的消极影响。

华中科技大学团队提出了“像拼装乐高积木一样搭房子”的理念，设计出“月壶尊”月面建筑构型，外形酷似蛋壳。科研人员希望利用月壤烧结出榫卯结构“月壤砖”，由智能机器人施工拼装、堆砌预制模块，同时利用3D打印技术完善连接，防范结构过度变形。同时，将玄武岩高温纤维化，制作特殊防护层，铺设强化层，尽量降低月球建筑风险。

华中科技大学团队的方案设想需要具备一个前提，即“月壤砖”满足月球建筑需求。为此，科研人员根据 “嫦娥五号”带回的月壤样本，配置出“高仿版”，计划在空间站舱外平台进行为期3年的太空暴露实验，验证其长时间暴露于宇宙环境中的力学性能（抗压、抗拉等）和热学性能（保温、隔热等）。

尽管面临困难不少，作为离地球最近、资源丰富的外星球，月球仍有望被建设为人类深空探索的“中转站”。完善的月球基地才能容纳强大的系统，保障人类完成必要任务，为进一步发展太空制造、建设月面发射场奠定基础。放眼未来，月球资源开发和月球基地建设必将成为国际航天合作和竞争的重要“舞台”。

本文原载于《中国航天报·飞天科普周刊》

文/于远航

编辑/靳晴

审核/杨建杨蕾

监制/索阿娣

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