當(dāng)前，我國(guó)正全面推進(jìn)探月工程四期，規(guī)劃包括嫦娥六號(hào)、嫦娥七號(hào)和嫦娥八號(hào)任務(wù)。中國(guó)探月工程總設(shè)計(jì)師吳偉仁院士曾介紹，2024年前后，嫦娥六號(hào)要去月球背面采樣；2026年前后，嫦娥七號(hào)計(jì)劃在月球南極著陸，到月球上去找水；再往后，嫦娥八號(hào)不僅要進(jìn)行月球物質(zhì)的勘察，還要承擔(dān)3D打印蓋房子的工作。最終，要在月球南極建成一個(gè)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、強(qiáng)輻射、溫差大、真空，還不時(shí)有月震，而且月面環(huán)境復(fù)雜、材料單一，這些都讓未來(lái)月球上的建造工程成為極具挑戰(zhàn)的超級(jí)工程。
探訪國(guó)家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心
從2015年開(kāi)始，華中科技大學(xué)在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)始了相關(guān)的研究工作，一起進(jìn)入前沿探訪。
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(pán)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，中間夾雜了一層加肋結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)穩(wěn)定性。
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)：月面的建造主要受到當(dāng)?shù)貥O端環(huán)境條件的限制，比如小重力環(huán)境、真空環(huán)境，同時(shí)還有月震、劇烈變化的溫度條件，月晝溫度超過(guò)180℃，月夜又到-190℃。這些環(huán)境非常苛刻，可能對(duì)我們的月面建筑的結(jié)構(gòu)、材料，以及使用過(guò)程產(chǎn)生非常大的影響。
團(tuán)隊(duì)介紹，雞蛋殼一樣的殼體結(jié)構(gòu)可以保持更好的穩(wěn)定性，同時(shí)，投放進(jìn)蛋殼內(nèi)的氣囊可以自動(dòng)展開(kāi)，這層結(jié)構(gòu)具有很好的保溫隔熱性能，可以形成真正的居住空間。
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)：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)要進(jìn)一步提高它的強(qiáng)度。相關(guān)的成果也剛剛發(fā)表在一個(gè)國(guó)際頂級(jí)的期刊上，為我們找到一種好的構(gòu)型，能夠適應(yīng)月面的極端環(huán)境來(lái)做一些研究工作。
“月壤磚”從何而來(lái)？如何燒制？
“運(yùn)輸一瓶礦泉水重量的材料去月球要花費(fèi)20萬(wàn)美元”，人們用這個(gè)高昂的成本來(lái)比擬星際運(yùn)輸。這意味著科研團(tuán)隊(duì)只能盡可能利用月球材料進(jìn)行原位建造，也就是利用月壤作為建造材料，那又該如何燒制“月壤磚”呢？
總臺(tái)央視記者 張春玲：要想在月球上蓋房子，很重要的一個(gè)步驟就是我們首先要有材料。而月球上就是月壤，月壤通過(guò)什么樣的方式可以燒結(jié)成為磚？在實(shí)驗(yàn)室，我們看到，一些研發(fā)人員在對(duì)如何燒結(jié)成月壤磚進(jìn)行測(cè)試。
華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院學(xué)生 汪朋霖：電磁感應(yīng)燒結(jié)爐是通過(guò)將電能轉(zhuǎn)化成熱能的方式，對(duì)模具進(jìn)行加熱。我們平時(shí)在使用的過(guò)程中，將月壤的材料放在坩堝中間，就能對(duì)其進(jìn)行均勻加熱以及升溫。
科研人員用實(shí)驗(yàn)室模擬出的月壤材料就類(lèi)似沙土一樣，是分散的，他們需要通過(guò)高溫進(jìn)行燒制，電磁感應(yīng)燒結(jié)爐可以將溫度加熱至1000℃以上，十分鐘左右，一個(gè)長(zhǎng)18厘米的模擬月球磚就燒制完成了。而同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)在嘗試另一種燒磚制備方式。
華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院 博士研究生 韓文彬：我們主要采用一種真空燒結(jié)的方式，對(duì)模擬月壤進(jìn)行燒結(jié)成型。我們采用的石墨模具，內(nèi)部有一個(gè)直徑18毫米的空腔。我們首先將模擬月壤的粉末裝填在內(nèi)部，以石墨的壓頭對(duì)它進(jìn)行壓實(shí)，壓實(shí)之后，再把它整個(gè)組裝好；然后連同石墨模具，放到一個(gè)真空的燒結(jié)爐內(nèi)部進(jìn)行燒結(jié)。這個(gè)燒結(jié)爐的真空度可以達(dá)到10的負(fù)2次方帕，它主要是采用一種電加熱，內(nèi)部分布有10根加熱棒，它是硅鉬材料，通電之后就可以產(chǎn)生熱量。我們將模擬月壤和石墨放置在爐子內(nèi)部，熱量就可以在抽真空之后，通過(guò)熱輻射的方式對(duì)材料進(jìn)行加熱。
科研人員介紹，燒制一爐真空環(huán)境的模擬月球磚大概需要24小時(shí)，之所以探索這種真空的燒結(jié)測(cè)試，也是源于月球的真空環(huán)境進(jìn)行一種模擬探索。
華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院學(xué)生 李淵：我們是通過(guò)一個(gè)菲涅爾透鏡，把太陽(yáng)光聚焦在一個(gè)點(diǎn)上，將來(lái)這個(gè)點(diǎn)上放的是月壤，通過(guò)聚焦點(diǎn)的高溫把月壤燒結(jié)成磚。在月球上，一個(gè)白天的時(shí)間是比較長(zhǎng)的，非常有利于在月球上進(jìn)行太陽(yáng)能燒結(jié)建造。
“超級(jí)泥瓦匠” 3D打印建造“月球屋”
磚有了，怎么蓋房子？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)備實(shí)現(xiàn)。科研團(tuán)隊(duì)在研究初期就發(fā)現(xiàn)，使用3D打印技術(shù)，是一個(gè)可以探索的路徑。現(xiàn)在就讓我們看看，這些“超級(jí)泥瓦匠”如何建造“月球屋”。
華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院學(xué)生陳權(quán)要：我們要利用月面原位資源來(lái)建造月壺尊基地，我們配置了跟月壤性質(zhì)類(lèi)似的材料，配置以后，完成月面基地3D打印的建造。針對(duì)我們打印完的成品，首先要將打印的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，判斷它的打印精度，識(shí)別出誤差后，再進(jìn)行調(diào)整，方便下一次打印實(shí)驗(yàn)。
當(dāng)然月球基地的建造方案也是多種多樣的。如月球上工作的蜘蛛機(jī)器人通過(guò)真空燒磚、組裝、連接等，像搭樂(lè)高積木一樣建造月球家園。為了能夠讓月球基地更加結(jié)實(shí)，科研人員還創(chuàng)造性的在全球首次提出用中國(guó)傳統(tǒng)建筑的榫卯結(jié)構(gòu)來(lái)搭建月球屋。中國(guó)建筑的匠人智慧與現(xiàn)代科技實(shí)現(xiàn)了完美結(jié)合。現(xiàn)在，月球屋從材料到燒制工藝，到施工方案，以及機(jī)器人設(shè)備研發(fā)都在同步推進(jìn)。這些技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)我們地球工程技術(shù)的發(fā)展也將產(chǎn)生重要影響。最后，仰望星空，讓我們通過(guò)一張科學(xué)家繪制的月球基地圖，來(lái)暢想人類(lèi)的未來(lái)吧！
在月球上建設(shè)科研站，相關(guān)的研究還在持續(xù)推進(jìn)。也有方案提出，把月球熔巖管道洞穴用于月球科研站建設(shè)，以避免巨大溫差、高強(qiáng)度輻射和隕石撞擊等安全隱患，還能利用月球熔巖管道建設(shè)月球農(nóng)場(chǎng)。究竟將來(lái)會(huì)用哪種方案，建設(shè)月球科研站，目前還在進(jìn)一步研究論證。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，關(guān)于月球，關(guān)于對(duì)月球的探索，甚至對(duì)更遠(yuǎn)深空的探索，人類(lèi)還有無(wú)限暢想，也有著無(wú)限的可能。
（總臺(tái)央視記者 張春玲 倪晶依 楊瑤 徐之昊 趙雄）
本文鏈接：月壤可燒結(jié)成磚！如何建造“月球屋”？http://www.lensthegame.com/show-11-1621-0.html
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