華中科技大學(xué)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?nèi)粘Ｗ钍煜さ慕ㄖ牧现弧Ｐ⌒∫粔K磚，在人類文明演化進(jìn)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(dá)米亞平原上發(fā)掘出來的磚塊；從我國(guó)藍(lán)田出土的5000年前仰韶文化晚期燒結(jié)磚，到秦朝燒制水平領(lǐng)先世界并大量應(yīng)用到工程中的磚塊……縱觀磚的起源與發(fā)展，材料工藝不斷創(chuàng)新，應(yīng)用場(chǎng)景持續(xù)拓展。
那么，“月壤磚”到底是什么磚，和地球上的磚又有什么不同呢？
月壤磚的原材料是月壤。月壤是指覆蓋在月球表面基巖以上的松散顆粒堆積物質(zhì)，是經(jīng)隕石撞擊、宇宙射線轟擊、劇烈溫度變化的產(chǎn)物。月壤和地球土壤很不一樣。相比而言，地球土壤是巖石經(jīng)過風(fēng)化作用形成的礦物顆粒，由礦物質(zhì)和腐殖質(zhì)組成的固體顆粒約占地球土壤體積的50%。月壤顆粒形態(tài)多為棱角狀、次棱角狀、長(zhǎng)條狀等。就其化合物成分而言，月壤以氧化硅為主，同時(shí)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(zhǎng)石、橄欖石、輝石、鈦鐵礦及玻璃物質(zhì)等；就粒徑分布而言，美國(guó)阿波羅與蘇聯(lián)“月球”的樣品粒徑在10微米至100微米之間，而我國(guó)嫦娥五號(hào)采集的月壤樣品最大粒徑不超過300微米。
月壤磚的制作工藝有很多種途徑。比如，在月壤中添加水和膠凝材料，就可將其制備為類混凝土磚。現(xiàn)有研究提出的月壤基類混凝土主要包括地聚合物混凝土、堿激發(fā)混凝土、硫黃黏結(jié)類混凝土和有機(jī)物黏結(jié)類混凝土等，常溫下的抗壓強(qiáng)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制備月壤磚。除此之外，也可以像燒制紅磚、青磚一樣，采用燒結(jié)工藝制備月壤磚，如微波燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、電磁感應(yīng)燒結(jié)等。這樣制備的月壤磚，其抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)500兆帕以上，比普通紅磚15至20兆帕的抗壓強(qiáng)度要高得多。制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、異形的月壤磚，也可以使用激光、電子束、太陽(yáng)能等為能量源的增材制造技術(shù)。
月壤磚的使用環(huán)境與地球環(huán)境不一樣。在月球上，月壤磚面臨低重力、高真空、大溫變、高頻月震、強(qiáng)輻射、微隕石沖擊等極端環(huán)境。月球表面重力僅為地球表面的約1/6，月壤磚作為月面建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的承載力是否會(huì)在低重力條件下顯著減弱？月面晝夜27.32天更替一次，晝夜溫差可達(dá)290攝氏度，月壤磚的性能在高低溫循環(huán)作用下是否會(huì)發(fā)生退化？月球每年發(fā)生約1000次深部月震，月壤磚及其建造結(jié)構(gòu)能否承受住月震而不被破壞？宇宙射線如質(zhì)子、太陽(yáng)風(fēng)粒子等可直達(dá)月面，根據(jù)嫦娥四號(hào)探測(cè)數(shù)據(jù)，月表環(huán)境輻射達(dá)到每小時(shí)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(qiáng)輻射并起到保護(hù)航天員及航天器的作用？這些極端環(huán)境都對(duì)月壤磚的力學(xué)、熱學(xué)、防輻射、耐久性等性能提出了很高的要求。華中科技大學(xué)研制的模擬月壤磚于2024年11月15日通過天舟八號(hào)成功送往中國(guó)空間站，開展為期3年的艙外暴露試驗(yàn)，為未來月球基地建設(shè)積累科研數(shù)據(jù)。
月壤磚到底有什么用處呢？首先是在月球上造房子。美國(guó)航空航天局（NASA）設(shè)計(jì)了由33個(gè)月壤磚砌筑而成的拱形圓頂結(jié)構(gòu)，佛羅里達(dá)國(guó)際大學(xué)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(xué)則設(shè)想由預(yù)制榫卯月球磚為基本單元建造月球“玄武基地”。除了房子，建造月面著陸場(chǎng)也離不開月壤磚，華中科技大學(xué)提出了由拓?fù)浠ユi月壤磚組成的月面著陸墊建造方案，可有效提高著陸墊的承載能力。目前，我國(guó)計(jì)劃實(shí)施的嫦娥八號(hào)任務(wù)中，有一項(xiàng)是嘗試在月球就地取材、利用3D打印技術(shù)制備月壤磚。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，國(guó)家航天局探月與航天工程中心組織中國(guó)空間技術(shù)研究院、華中科技大學(xué)等單位的科研團(tuán)隊(duì)正在一起攻關(guān)。我們可以期待，未來在月球上用月壤磚建造國(guó)際月球科研站和月球基地。
（作者為華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院教授）
《 人民日?qǐng)?bào) 》（ 2025年01月25日 06 版）