“基建狂魔”要用榫卯工艺在月球盖房？专访“中国超级泥瓦匠”

2024年11月25日 07:42　来源：央视新闻客户端

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　　面对面｜“基建狂魔”要用榫卯工艺在月球盖房？专访“中国超级泥瓦匠”

　　2024年11月15日23时13分，天舟八号货运飞船奔赴天宫。约3小时后，天舟、天宫“牵手成功”，“小时达”被成功签收。11月16日早上，神舟十九号航天员乘组在地面配合下，打开天舟八号舱门，开始太空“拆快递”。此次上行的货品中，有一份神秘大礼包，那就是月壤砖，来自位于华中科技大学的国家数字建造技术创新中心。

　　丁烈云：我们是做了几套，其中有一套就放在这儿，天舟八号带上去的就这三块。

　　月壤砖，是未来可能用于月球盖房子的建筑材料，此次“月壤砖”前往空间站开展舱外暴露实验，为未来在月建设积累科研数据。丁烈云作为中国工程院院士、国家数字建造技术创新中心首席科学家，牵头了月壤砖的研制。

　　丁烈云：月壤砖强度，有两个因素的影响非常大，一个因素是矿物的成分。不同的矿物成分会影响它的强度，另外还有一种是它的烧结方式不一样，烧结的工艺不一样，比方说我们这采取三种烧结工艺。

　　送往空间站的月壤砖形态不同，分别采用了5种不同的模拟月壤成分和3种不同的烧结工艺制作而成。和月壤砖同时到达空间站的，还有一份舱外暴露实验的操作指南。

　　丁烈云：在问天舱外面，要外挂在上面进行暴露实验，通过宇宙射线。还有零下100摄氏度，零上100多摄氏度，高低温的这种热振，不断地循环，看它今后的劣化是一个什么样的情况。

　　记者：给它考验多长时间？

　　丁烈云：我们一共是三块板，有一块板一年以后取下来，分析一下，第二块板是两年以后，最后一块板是三年以后取下来，取下来以后，就跟地面的，我们做的同批样品，进行性能的测试。

　　记者：那你们实验可真够长的，最短的还得一年之后呢。

　　丁烈云：科学研究就是这样的。我们土木工程有个很大的特点，它是一个百年大计，我们做一栋房子，不是说我住一个几年。特别在月球上去建，老化的这些机理一定要搞清楚。搞清楚了以后。你才能够形成一份标准，建筑的标准，所以做研究不能着急，一步一步地做。

　　作为人类唯一抵达过的地外天体，月球一直是科学家研究的重要对象。国际上，各航天大国也纷纷提出月球中长期驻留设想，掀起了新一轮探月热潮。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。

　　“月壶尊”外形酷似竖立的鸡蛋壳。内部空间分成上下两层，分别为工作区和休息区。

　　“月壶尊”是月面基地建筑物的定型样式，丁烈云团队还有另外一个大胆的构想，那就是月球玄武基地，它是将中国传统制砖砌筑的建造方式与3D打印建造方式相结合，采用整体预制拼装、局部打印连接的方式，设计建造月面基地。2015年，正是对3D打印技术应用于建筑领域的研究，把丁烈云的思路带到了月球。

　　2015年，丁烈云正在担任华中科技大学的校长，对高校在科技进步中的作用，他有自己的思考。

　　丁烈云：高校一定要做未来的事，一定要做引领的事，甚至更长一点，你比方说十年以后的事，甚至是更长的一些事。

　　丁烈云没有将设想停留在纸面，而是瞄准月面基地建造带领团队说干就干。当时他们可以参考的是美国阿波罗计划获得的月球资料，包括月球表面结构特征和月面物质的化学成分、光学及热力学物理特性等。

　　记者：那您怎么能确保从各种各样的文献，不管是一手的，也许有二手的，那么从这些现存的资料里面，能够搜集分析，得出一个准确的结论。

　　丁烈云：不要说这个月球上的月壤，就是地球上面，它也不会有两个，完全一样的这个地质，它是不断地变化的，所以我们更多还是要找出它的主成分是什么。

　　研究表明，月壤是分布于月球表面的一层厚达几至十几米的土状混合物，主要由岩石碎屑、矿物碎屑、玻璃质颗粒和黏合剂组成。月壤成分在不同的区域存在差异，如月海地区主要是玄武质高钛和低钛月壤，而月球高地地区则为斜长岩质月壤。而长白山的火山灰，是地球上能找到的和月壤成分比较接近的土壤。

　　记者：拉回来以后怎么用它呢？

　　丁烈云：首先要把它做成模拟月壤，模拟月壤就按照文献上面公开发表的那些成分，比方说先把它清洗，清洗完了以后把它烘干，月壤是没有水的，我们要把它烘干，烘干了以后，把它的有机质去掉，因为地球上的模拟月壤肯定是有有机质的，真正的月壤它是没有有机质的。再把它碾碎，碾碎了以后再分析它的成分，因为月壤构成的成分无非就是这么几种，你看看它里面还缺什么，缺什么再加，加了以后就变成这样一个配制的模拟月壤。

　　得到模拟月壤后，下一步就是解决月壤成型的问题。对原位建造的追求，驱使丁烈云团队寻求新的成型方法。

　　丁烈云：月壤成型它目前有几种成型，比方说一种成型它是通过碱激发，烧碱加水，把月壤能够凝固起来，或者加这种硫黄。然后再进行3D打印，但是一想你这不是百分之百的原位。

　　记者：什么叫原位？

　　丁烈云：原位就是不带任何东西，完全利用月球上的资源，因为你要带烧碱，你还要带硫黄到那去，那就不是原位。

　　在月面建什么样的建筑，丁烈云团队一直在进行各种尝试，起初尝试了穹顶结构、拱形结构以及柱状结构，很多造型反复尝试，既要符合月球表面的使用环境，又要方便建造。

　　月壶尊是双层的穹顶结构，涉及12个设计参数，满足空间最大、应力最低、保温隔热的要求，而且自重小、用的材料少。对于3D打印机来说，也必须满足一定的要求。

　　丁烈云：火箭的运载的能力，现在不能运载这么重的一些设备。所以现在等于说还没有到这种程度，只是还是要验证。用这个月壤进行挤，挤出来了以后，能不能成为一个完整的形状。它因为打的时候要流动性好，流动性不好它挤不出来，但是流动性太好了以后，你打得它塌下去了，所以怎么样去找到一个合适的，流动性又好，同时让它又能够粘得住，能够具有一定的稳定性，这个就要不断地研究。

　　丁烈云团队设想采用的3D打印施工，是先在月表用注浆加固法打地基，然后在地基上打印结构，穹顶采用气囊放置法固定，再在气囊上打印穹顶，最终打印成型。这个工艺可以建造各种形状的月球基地结构，但3D打印是个连续过程，存在大尺寸结构一次性成型困难、耗能大等问题。

　　借鉴中国传统砌筑和榫卯连接方式，丁烈云团队创造性地提出利用月壤烧结出带有榫卯结构的月壤砖，再进行拼装建造，通过烧结月球砖把一次性成型的风险分散掉，然后由机器人砌筑，同时用3D打印加强连接来完成结构，避免结构变形。

　　2021年，科技部将“轻量化可重构月面建造方法研究”列入重点研发计划，成为“工程科学与综合交叉”的重点专项。华中科技大学成为该项目的首席科学家单位。月面原位建造面临着极端环境的巨大挑战，包括原位材料单一、无液态水、低重力，月面昼夜高达300多摄氏度的温差，还有每年约1000次2—3级的月震、宇宙射线的强辐射、月面复杂形貌与地质等，这些都让月球上的建造工作成为极具挑战的超级工程。

　　记者：您所做的一切尝试的前提，是假设我们是在地球上做，还是我们假设在月球上做。

　　丁烈云：首先是在地球上做。在地球环境上我们先试试。我把那个跑通，再考虑各种各样的极端条件，极端环境。真空我们是可以模拟的，我们实验室里面就有真空，高低温是可以模拟的，比方说零下一百摄氏度，零上一百摄氏度，甚至更高点，最难的就是低重力。月球的重力加速度是地球的六分之一，六分之一就是说人在月球上跳得很高，在地球跳不了那么高，但是它会影响在成型过程当中的品质，是不一样的。

　　月壤里含有多种矿物，它们的熔点不一样，需要确定一个最佳的烧制温度段，使得“月壤砖”能达到建筑材料所需的强度。但对于丁烈云团队来说，在地球上进行的各种实验，始终有一个缺陷，那就是无法真正模拟月球的环境，尤其是月球的重力环境。

　　丁烈云：下一步应该这样，一定要真正地在月球上去烧砖，烧了以后，再去看它的强度是个什么样的强度，这个月壤成型的机理，这些规律是什么，要把这个慢慢地搞清楚，才能够制定用什么样的烧结工艺，能够保证月壤砖它的强度是够的。

　　记者：如果要真正深入地理解这件事，一定要真实在月球环境下去烧砖。

　　模拟月球的真空环境，科研人员将装有月壤粉末的石墨模具，整体置于真空热压炉内进行烧制。烧制一炉模拟月壤砖，大概需要24小时。

　　丁烈云：烧一次时间不会太长，实际上做热循环实验的时间很长。

　　记者：什么叫热循环？

　　丁烈云：月球上面的一天，是地球上面的一个月。我们要把烧好的砖，要拿到很高的温度里面去烤，然后又把它拿到低温里面，就不断地循环，循环多少次以后，看它的性能是不是发生了变化，就花时间很长。

　　记者：我们都生活在地球上这么长时间了，春夏秋冬，什么气候，什么湿度，大家伙都心知肚明，但是恰恰在月球上，这一切仅仅是人类有限的记载，而且没有人在上面盖过房子，也就是说很多条件都不知道，那这些不知道怎么变成已知呢？

　　丁烈云：这个还是要利用人类的研究的成果，就是我们要做学术研究，有时候发表论文，为什么要做这件事情呢？实际上把我们研究的成果，全人类来进行共享。当时嫦娥五号的月壤没有回来的时候，那我们只能用什么呢？用阿波罗它发表的这些成果，然后模拟阿波罗的，它带回来月壤的这种成分。嫦娥五号的月壤回来了以后，我们有的单位先获得了月壤，它也进行了研究，把这个成分就公开发表了，我们就知道，我们要利用这些成果，不是什么东西，都要从一做起，就是这样你可以在别人研究的基础上，往前迈出一大步，做自己最该想做的一些事情。

　　目前，丁烈云团队已经完成模拟月壤的三种烧结试验，具体为真空烧结、惰性气体烧结、空气烧结。其中在惰性气体中烧结强度最高，能达到100多兆帕。而在真空环境下，只需要将模拟月壤加热到1000℃到1100℃之间，就可以实现有效的烧结。如果加压的话，烧结的时间还可以缩短。然而，月壤砖的合理强度，要以月球的环境为依据。