從一塊月壤磚開始，搭建月球基地

原標題：從一塊月壤磚開始，搭建月球基地（嘮“科”）

華中科技大學提出的月壺尊打印建造方案示意圖。

磚，是世界上最古老，也是我們日常最熟悉的建築材料之一。小小一塊磚，在人類文明演化進程中具有重要意義。從底格里斯河上游9500年前的古老磚坯，到美索不達米亞平原上發掘出來的磚塊；從我國藍田出土的5000年前仰韶文化晚期燒結磚，到秦朝燒製水平領先世界並大量應用到工程中的磚塊……縱觀磚的起源與發展，材料工藝不斷創新，應用場景持續拓展。

那麼，“月壤磚”到底是什麼磚，和地球上的磚又有什麼不同呢？

月壤磚的原材料是月壤。月壤是指覆蓋在月球表面基岩以上的鬆散顆粒堆積物質，是經隕石撞擊、宇宙射線轟擊、劇烈温度變化的產物。月壤和地球土壤很不一樣。相比而言，地球土壤是岩石經過風化作用形成的礦物顆粒，由礦物質和腐殖質組成的固體顆粒約佔地球土壤體積的50%。月壤顆粒形態多為稜角狀、次稜角狀、長條狀等。就其化合物成分而言，月壤以氧化硅為主，同時富含氧化鋁、氧化鐵、氧化鎂、氧化鈣等；就礦物成分而言，月壤主要為斜長石、橄欖石、輝石、鈦鐵礦及玻璃物質等；就粒徑分佈而言，美國阿波羅與蘇聯“月球”的樣品粒徑在10微米至100微米之間，而我國嫦娥五號採集的月壤樣品最大粒徑不超過300微米。

月壤磚的製作工藝有很多種途徑。比如，在月壤中添加水和膠凝材料，就可將其製備為類混凝土磚。現有研究提出的月壤基類混凝土主要包括地聚合物混凝土、鹼激發混凝土、硫黃黏結類混凝土和有機物黏結類混凝土等，常温下的抗壓強度約為5至70兆帕。然而，這種工藝要求從地球攜帶一部分材料去月球才能製備月壤磚。除此之外，也可以像燒製紅磚、青磚一樣，採用燒結工藝製備月壤磚，如微波燒結、熱壓燒結、電磁感應燒結等。這樣製備的月壤磚，其抗壓強度最高可達500兆帕以上，比普通紅磚15至20兆帕的抗壓強度要高得多。製備結構複雜、異形的月壤磚，也可以使用激光、電子束、太陽能等為能量源的增材製造技術。

月壤磚的使用環境與地球環境不一樣。在月球上，月壤磚面臨低重力、高真空、大温變、高頻月震、強輻射、微隕石衝擊等極端環境。月球表面重力僅為地球表面的約1/6，月壤磚作為月面建築結構基礎的承載力是否會在低重力條件下顯著減弱？月面晝夜27.32天更替一次，晝夜温差可達290攝氏度，月壤磚的性能在高低温循環作用下是否會發生退化？月球每年發生約1000次深部月震，月壤磚及其建造結構能否承受住月震而不被破壞？宇宙射線如質子、太陽風粒子等可直達月面，根據嫦娥四號探測數據，月表環境輻射達到每小時60微希沃特，是地球表面輻射水平的200倍。月壤磚能否抵擋住這些強輻射並起到保護航天員及航天器的作用？這些極端環境都對月壤磚的力學、熱學、防輻射、耐久性等性能提出了很高的要求。華中科技大學研製的模擬月壤磚於2024年11月15日通過天舟八號成功送往中國空間站，開展為期3年的艙外暴露試驗，為未來月球基地建設積累科研數據。

月壤磚到底有什麼用處呢？首先是在月球上造房子。美國航空航天局（NASA）設計了由33個月壤磚砌築而成的拱形圓頂結構，佛羅里達國際大學提出了外殼由空心砌塊組成的月球棲息地方案，華中科技大學則設想由預製榫卯月球磚為基本單元建造月球“玄武基地”。除了房子，建造月面着陸場也離不開月壤磚，華中科技大學提出了由拓撲互鎖月壤磚組成的月面着陸墊建造方案，可有效提高着陸墊的承載能力。目前，我國計劃實施的嫦娥八號任務中，有一項是嘗試在月球就地取材、利用3D打印技術製備月壤磚。為了實現這一目標，國家航天局探月與航天工程中心組織中國空間技術研究院、華中科技大學等單位的科研團隊正在一起攻關。我們可以期待，未來在月球上用月壤磚建造國際月球科研站和月球基地。

（作者為華中科技大學土木與水利工程學院教授）