增强纤维联袂3D打印为人类常驻月球提供更多可能

　　■清华大学冯鹏教授课题组
　　编制按 月壤广泛分布于月球表面，由岩石碎屑、粉末和撞击熔融玻璃等构成。月壤颗粒表面粗糙度更大，无法直接用于建造。清华大学研究团队用模拟月壤制备出可3D打印的纤维增强月壤混凝土。
　　不断发展的高性能纤维和3D打印技术有望解决月壤这一天然材料成为太空建筑材料的难题。
　　＂明月几时有？把酒问青天。不知天上宫阙，今夕是何年。我欲乘风归去，又恐琼楼玉宇，高处不胜寒。＂自古以来，人类就对月球充满了好奇与向往，期待着有朝一日能入住＂广寒宫＂中，这一梦想正在逐渐成为现实。
　　1969年，人类首次登上月球，然而在月面上长期驻留和进行工程建造却仍未实现。
　　2004年，我国开始实施＂嫦娥＂探月工程，先后完成了＂绕、落、回＂三项任务。今年9月，中国国家航天局公布，探月工程四期任务已获国家批复，将建立国际月球科研站基本型。美国2017年启动了重返月球的阿尔忒弥斯计划，并于今年11月发射了阿尔忒弥斯1号，未来的目标是再次登月并长期驻留。月面建造正成为人类探索月球的下一个关键任务。
　　与地面不同，在月面上进行建造面临着众多挑战。例如：夜晚低过-150℃、白天高过100℃的极端温度，由于缺少大气层保护而可能遭受的强辐射和微陨石撞击等。此外还有一个很关键的问题是：用什么材料建？
　　受航天器运载能力所限，无法从地球上大量运送建筑材料，就需要尽量利用月面上的原位材料进行工程建造，月面上无处不在的月壤就成为首选。
　　月壤广泛分布于月球表面，由岩石碎屑、粉末和撞击熔融玻璃等构成，平均粒径小于0.2mm，矿物主要成分为辉石、橄榄石、斜长石、钛铁矿、玄武岩等。
　　清华大学获批借用的嫦娥五号月球样品 郑林庆/摄
　　我国科研人员在嫦娥五号取回的月球样品中还发现了一种地球上没有的新磷酸盐矿物，命名为＂嫦娥石＂。清华大学的研究团队对嫦娥五号月球样品研究后发现，月壤与成分类似的土壤相比，颗粒表面的粗糙度更大。显然，与天然土体类似的月壤是无法直接用于建造的。国内研究者曾提出多种利用月壤的建造方案，例如用激光、微波、太阳能等熔化月壤再凝固成形，用化学反应使月壤固化成形，用胶结材料与月壤混合成形。清华大学的研究团队用模拟月壤制备出了抗压强度达到31MPa的混凝土。这些成形方法可采用无人的3D打印工艺实现，既能制成砌块后进行搭建，也可以在原位施工将月壤逐层固化。3D打印技术为月壤成形提供了一个有效的技术方案。
　　然而，另一个挑战却更为艰巨。月面为超真空环境，而人的生存需要1个大气压的环境，建筑物必须像大气球一样通过外皮受拉平衡内部气压。月壤成形材料类似于地面上的混凝土，抗拉强度只有抗压强度的1/10，用它来做建筑外壳需要很厚，还非常容易开裂破坏。类似于钢筋增强混凝土,研究人员为此提出了使用增强纤维强化月壤材料的技术方案：掺入少量的高性能纤维或者配置连续的长纤维，就可以显著提高材料的抗拉强度和断裂韧性。清华大学的团队开展了多尺度纤维增强月壤混凝土的研究，研发了可3D打印的纤维增强月壤混凝土。轻质高强的碳纤维、有机纤维及在月面上可能熔融抽丝制备的玄武岩纤维，都可能成为克服这一挑战的关键。
　　要实现更大的结构，还可以采用在地面上设计和预制好高强度纤维袋。清华大学的研究团队研究了采用高性能纤维月壤袋的结构，袋体中填充月壤形成承载结构，有很高的抗拉强度，被纤维约束的月壤可获得6.9MPa的抗压强度，还有隔热、抗辐射的效果，建造过程也很方便，具有很好的综合性能。
　　11月21日，中国航天大会发布了2022年宇航领域十大科学问题和技术难题，＂利用月壤资源实现月面原位建造＂位列其中。＂在月球上建立安全持久的月球基地是人类开展探索与开发活动的基础。由于地月空间运输成本高昂，大量建筑材料难以从地球获取。因此，如何利用月壤资源开展月面原位建造成为月球基地建设和运营的关键难题。面对特殊月壤材料、极端月面环境，月面建造面临一系列问题和挑战。＂
　　可以看到，不断发展的高性能纤维和3D打印技术正在解决月壤这一天然材料成为太空建筑材料中的难题，为人类实现常驻月球提供更多可能。
　　当我们抬头看，月皎风清，人类数千年来梦想正在成为现实，让我们努力推动38万公里共婵娟的那一天早日到来吧！
　　本文原载于《中国建材报》11月28日1版
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