“月壶尊”内部分上下两层,上层是生活区,下层是工作区。
榫卯结构的月壤砖
在月球上建房子,要用什么材料?目前我国科研团队已用模拟月壤烧制出了“月壤砖”,近日,“月壤砖”将搭乘“天舟八号”货运飞船飞向中国空间站,到太空去做暴露实验。有了“月壤砖”,又该如何在月球建房子?未来月球基地上的房子会是啥模样?
榫卯结构的“月壤砖”是如何炼成的
日常建筑用砖一般有红砖、青砖以及混凝土砖,但你听说过“月壤砖”吗?“月壤砖”需要经受怎样的考验,才能肩负起月球盖房子的重任?
月球月昼温度能超过180℃,月夜温度又能降到-190℃,想要盖房子,首先要接受温度剧烈变化的挑战。因为没有大气保护,大量宇宙辐射和许多微陨石会撞击月球表面,同时还有频率较高的月震,这些都会对月面建筑材料的力学性能、热学性能和抗辐射性能提出苛刻要求。
国家数字建造技术创新中心、华中科技大学教授周诚介绍,“月壤砖”呈榫卯结构,密度与普通砖块相当,抗压强度却是普通红砖、混凝土砖的三倍以上,相当于每平方厘米能承受1吨多重量。未来的月球基地,可能采用这样的结构进行拼装建造。
榫卯结构的设计原理,源于中国古代的建筑技艺,依靠精密的几何吻合,不需要金属连接件,就能保证建筑物的整体稳定性和抗震性能,在地震多发的复杂环境下优势明显。
如何用月壤烧制月壤砖?中国工程院院士、华中科技大学教授丁烈云表示,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,“目前,我们可以把月壤砖烧到100兆帕的强度,这个强度比混凝土还要坚硬得多。”
目前,人类还无法直接到月球上烧制“月壤砖”。所以,科研人员采用了真空烧结的方式——模拟月球的真空环境,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。
“月壤砖”是以100%原位成型的工艺方法制造的,也就是说,将来建设月球科研站时,可在月球上就地取材,直接利用月壤、太阳能、矿产等月面原位资源盖房子,不用再从地球上运输,这样能极大降低月面建造成本,为未来太空探索提供绿色、低碳的解决方案。
“月壤砖”为啥要先到空间站逛一圈
为验证“月壤砖”的性能,近日,“月壤砖”样品要搭乘“天舟八号”货运飞船前往中国空间站。在完成太空实验后,第一块“月壤砖”预计将于2025年年底返回地球。
“月壤砖”的太空之旅,有三大关键性能要验证,一是“月壤砖”的力学性能,太空环境下,检验样品的力学性能会不会退化十分关键；二是验证“月壤砖”热学性能的变化；三是验证辐射作用对“月壤砖”的影响,因为月球是真空环境,存在大量宇宙辐射,“月壤砖”能否经受住宇宙辐射的作用,也非常值得检验。
为充分利用太空实测的珍贵机会,研究团队将带到中国空间站的“月壤砖”设计为柱状和片状两种形态:柱状“月壤砖”主要用于力学测试；暴露面积较大的片状“月壤砖”,则用于热学和辐射效应测试。
除了形态不同,这些“月壤砖”还使用了5种不同的模拟月壤成分、3种不同的烧结工艺,为后续月球基地的建设,提供更准确的科研数据。这些模拟“月壤砖”在太空暴露实验后,将为未来月面建设积累科研数据,从而优化实际方案。
“月亮屋”起名“月壶尊”,像个大蛋壳
月球基地及其配套设施,将成为支撑深空可持续探测活动的关键基石。可月球那么大,“房子”盖在哪儿?怎么盖?
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。一个像鸡蛋壳一样圆弧结构的建筑,就是科研人员设计的“月球屋”雏形,它有一个生动的名字叫“月壶尊”。
作为建筑物,“月壶尊”里面并没有承重的“四梁八柱”,蛋壳顶端是穹顶结构,蛋壳体分内外两层,中间夹一层类似于肋骨的结构,以增强稳定性。
华中科技大学教授周诚介绍,这款“月壶尊”属于缩小版,它真实的长宽均为3米,类似于一个圆形结构的房子,房间分成上下两层,分成工作间和休息间。
这个大胆构想,是中国工程院院士、华中科技大学教授丁烈云团队提出的。“月面基地不可能从地球上携带建筑材料去建造,这样的话建筑成本会极高。”丁烈云将“月壶尊”定位为“原位建造”,即建造材料主要来源于月球。
月球表面昼夜温差很大,“建筑样式应充分考虑保温隔热。”周诚表示,在月面建什么样的建筑,他们一直在进行各种尝试。2021年底,外形像竖立鸡蛋壳的“月壶尊”,成为月面基地建筑物的定型样式,既体现了中国元素又有科技感。
周诚介绍,月表地震频繁,鸡蛋壳一样的壳体结构,可以抗击小地震,保持更好的稳定性,同时,投放进蛋壳内的气囊可以自动展开,具有很好的保温隔热性能,可以形成真正的居住空间,“我们希望使用的材料越少越好,这样它的自重就比较轻,同时还要进一步提高它的强度。”
周诚表示,中国的探月工程表明,月球南极可能有连续光照的区域,可作为月球基地的理想选址。
“月蜘蛛”机器人,将用于基地建造
砖有了,“月亮屋”雏形也有了,谁来盖房子?用人力显然无法实现,只能靠自动化机器设备。
去年在武汉举行的首届地外建造学术研讨会上,众多专家学者围绕“如何在月亮上盖房子”展开热议。中国工程院院士、华中科技大学教授丁烈云描绘了月球上造房子的图景:“月壶尊”既可以在月球上采用3D打印施工,也可以利用月表机器人,对“月壤砖”进行拼装施工。
丁烈云介绍,2015年,他从建筑3D打印中获得启发,开始带领团队从事月面基地建造研究。他们借鉴中国传统砌筑和榫卯连接方式,将中国传统制砖砌筑的建造方法,与3D打印建造方法相结合,利用月壤烧出带有卯榫结构的月壤砖,再用机器人砌筑,像搭“乐高”一样在月球上盖房子。这种方式不仅可以搭建出较大尺寸的月面建筑结构,而且能耗和造价更低。
“将一瓶矿泉水重量的材料运到月球,可能花费20万美元。”丁烈云表示,高昂的成本也意味着,地外建造所需的钢筋、混凝土、水等材料,不可能都从地球上“外带”,只有尽可能利用天然月壤材料进行原位建造。
丁烈云透露,团队正在参与研发“月蜘蛛”机器人,未来将用于月球基地建造。“月蜘蛛”属于3D打印机器人,远看像蜘蛛,上部分是混联机械臂,下部分是多足平台。“月蜘蛛”机器人有6只“脚”,平台上安装有机械“手臂”,“手臂”能360度旋转,水平、竖向作业空间可达6米,“手臂”前端可更换不同的工具,完成挖、钻、振、捣等任务,施工时机械臂也可以换成3D打印机。
丁烈云介绍,未来由运载火箭发射升空的“月蜘蛛”,能快速找到适合的地点精准着陆。确定建造位置后,“月蜘蛛”将先开挖一个环形圈,然后在圈上打印出工作站的地基,接着利用原位月壤3D打印建筑墙体、放入可扩展气囊、喷涂防护等,建造的蛋壳建筑内有两层,上层为生活区,下层为工作区。
按照专家预测,2028年左右,“中国超级泥瓦匠”——也就是“月蜘蛛”机器人,有可能登陆月球,开始制作第一块真正的月球砖。未来,一座座由“月壤砖”搭成的建筑,将在月球上拔地而起。
“月面基地建造工程化是一个长远目标。”丁烈云介绍,目前还有一系列问题要解决,比方说打印好“月壶尊”以后,里面充气设施如何工作、“月壶尊”的具体选址等问题,都需要一个个解决。
“目前我们所做的就是从0到1的探索,通过进一步月球勘探,说不定未来还会采用更新的技术路径来建造月球基地。”丁烈云表示,月球基地建造的研究,还可以催生出新的技术和业态,如3D打印建造、机器人砌筑等。
“月蜘蛛”3D打印机器人
“月亮屋”的雏形——“月壶尊”
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