時間更長和頻率更高的“月震”
隕石沖擊
宇宙射線的強輻射
月表重力改變材料與結構的受力狀態
材料比較單一
沒有液態水
□ 長江日報記者楊佳峰
萬丈高樓平地起，即便在月球上建房子，一樣需要一塊塊磚壘起來。月球上的第一塊磚如何制備出來？4月8日，國內百名專家學者匯聚在華中科技大學，開了首屆地外建造學術研討會。長江日報記者從會上了解到：專家預測，2028年前后“中國超級泥瓦匠”將登月采用原位建造方式制備第一塊月球磚，成為搭建月面基地建筑材料。
“建什么、用什么建、怎么建？”上午8時30分，國家數字建造技術創新中心首席科學家丁烈云院士、中國載人航天工程總設計師周建平院士、中國探月工程四期總設計師于登云院士先后登臺闡述自己對月面建造的觀點，并一致提出原位建造。
丁烈云表示，希望“中國超級泥瓦匠”能夠在月球上就地取材，用月壤燒結方式在月球上做一個人工造物——月壤磚。如果這塊磚能夠原位造出來，就打通了一條技術路線，建造月面玄武基地也將成為現實。
■ 為何要到月球建房子
“中國人將在月球上建造月面基地，這不僅是前人沒有過的壯舉，也是全球其他國家沒有建設過的。”丁烈云表示，在月面建房子并非只有我國有這個規劃，歐洲航天局和美國宇航局都有此打算。目前，在月面上建房子還沒有國際標準，首先要解決技術問題。
1969年，人類首次登月，世界掀起了一輪月面建造的熱潮，各種月面建造技術開始提出，當時提出的技術路徑是全部地面研制，運載發射，月面直接應用。1993年到2018年，月面建造研究得到進一步發展，美國宇航局提出“月球前哨”概念，歐洲航天局提出“月球棲息地”構想，主要技術路徑是地面研制為主，月面展開部署，月面擴建維護。
于登云則從兩個方面分析推進“月面建造”的必要性：一是國際發展態勢使然。2020年10月13日，美國聯合七國簽訂阿爾忒彌斯協議，開發利用地外資源，月面建造已是各國月球探測與開發利用必須面對的基本課題。二是中國探月工程的需要。中國探月工程已完成一到三期，目前，探月四期工程正在穩步推進中。嫦娥六號擬于2025年前后發射，并在月球背面軟著陸，開展著陸區的現場調查分析與月背首次無人采樣返回任務，將獲取世界首份月球背面月壤樣品。
于登云介紹，嫦娥七號將于2026年前后發射，包括月球軌道器、著陸器、巡視器及飛躍器等，著陸區選址在月球南緯85°以上的南極—艾特肯盆地區域，擬實現對極區永久陰影坑水冰原位證認等科學目標。嫦娥八號擬于2028年前后發射，擬開展月球資源原位利用及關鍵技術先導驗證，可與嫦娥七號組成我國月球南極的科研站基本型。
“月面建造的關鍵技術是月壤原位利用技術，月壤是月面廣泛存在的物質。”于登云表示，“在月亮上蓋房子”是長期探月的需要，將來肯定能夠實現，但就目前的研究基礎看，短期內實現還比較困難。月面建造相關技術的突破將支撐我國最終實現長期駐月的偉大夢想。
■ 如何設計施工
據悉，國家數字建造技術創新中心圍繞地外建造開展了三項研究工作，分別是玄武月球基地的星際樂高拼裝建造、月壺尊建筑3D打印建造和月面著陸墊建造。
丁烈云介紹，過去農村建房子都是先燒磚，然后再砌墻，這個可以借鑒到月表建房。設想未來用高能束3D打印技術制造出一個個的砌塊，即便一個砌塊打印壞了，也只影響一塊，然后再像搭積木一樣在月球上建房子。
月壺尊是雙層的穹頂結構，涉及12個設計參數，滿足空間最大、應力最低、保溫隔熱的要求，而且自重小、用的材料少。航天器在月球表面著陸有尾焰，容易濺起月塵，在真空環境很難沉下去，需要月面著陸墊來避免月塵的產生。
著陸墊的設計嘗試了垂直互鎖、水平互鎖等幾種方案，專家發現著陸墊厚度不是越厚越好，超過8厘米會對結構性能造成影響。
丁烈云介紹，和傳統建造不一樣，地外建造需要面對復雜得多的問題和挑戰。以月球為例，在月球上實施建造，首先必須克服極端環境的考驗。比如月球處于超高真空環境，并且存在三四百攝氏度的大溫變，傳統的土木建造方式幾乎無法實施、結構穩定性也無法保證。
其次，“運輸一瓶礦泉水重量的材料去月球要花費20萬美元”的高昂成本，意味著建造所必須的鋼筋、混凝土、水等材料不可能都從地球上“外帶”，只能盡可能利用月球上的天然月壤材料進行原位建造。再者，每年約1000次2～3級的月震，宇宙射線的強輻射、太陽風、微隕石沖擊、月面復雜形貌與地質等等，都讓月面原位建造成為極端復雜且涉及多學科交叉的超級工程。
周建平告訴與會者，人員要在月球長期駐留，就要實現原位資源的利用開發，優先追求就地取材或者一次性供給后的自我循環，丁烈云的“燒結制磚技術”無疑是月面資源自給自足的重要手段之一。
“月壤磚的燒結問題如何處理？”丁烈云解釋，目前已經完成模擬月壤的三種燒結試驗，具體為真空燒結、惰性氣體燒結、空氣燒結，其中在惰性氣體中燒結強度最高，能達到100多兆帕。真空環境下，月壤磚最佳燒結的溫度是1000℃到1100℃之間，如果加壓的話，燒結的時間花得更少。
這些模擬月壤磚能不能在月球上使用？丁烈云在實驗中也遇到難題。他說，月表最低溫度零下196℃、最高氣溫120℃，能不能承受月表環境一個循環的考驗(一個循環指14天月晝和14天月夜)，在實驗中發現在高低溫循環中模擬月壤磚強度沒有下降，反而上升了。按照常理強度應該是下降的，至今還在尋找強度上升的原因。
■ 施工工人是誰
丁烈云表示，月面建造面臨各種極端環境挑戰，這都需要一個聰明強大的機器人來完成砌筑和拼裝工作，這個機器人便是“中國超級泥瓦匠”。
“希望能通過2028年左右的嫦娥八號搭載進行‘中國超級泥瓦匠’的技術實驗驗證。”國家數字建造技術創新中心周誠教授表示，他們會對月壤磚打印設備進行瘦身、減重，同時不斷優化制備工藝。目前，“中國超級泥瓦匠”已有設計圖紙。
能夠搭載嫦娥八號的“中國超級泥瓦匠”究竟長什么樣？周誠介紹，體重必須要在50千克以內，很像一臺桌面打印機，只不過它吃進去的是月壤，吐出來的是一塊塊月壤磚。這樣就可以完全在月面就地取材，無需人工參與。
丁烈云表示，“中國超級泥瓦匠”還有一個英文名字Chinese Super masons。目前“中國超級泥瓦匠”的雛形——月蜘蛛打印機器人正在設計中，該機器人將能夠打印與拼裝出幾米高的建筑物，設計還在不斷改進，未來經過原理樣機的研發，完全可以成為“中國超級泥瓦匠”。
周建平向與會者描繪了2030年前把中國人送上月球的場景：首先要用新一代火箭發射20多噸重的著落器到月球軌道，然后從地面發射載人飛船到月球軌道和著落器對接，航天員從載人飛船進入著落器，著落器落月后航天員出艙，駕駛月球車進行科學考察。航天員完成任務后回到著落器，乘上升器回到月球軌道與載人飛船對接，載人飛船返回地球。
有人好奇，古人的嫦娥奔月會不會在中國人首次登月便成為現實？周建平說，暫時沒有辦法回答是男是女，但一定是飛行員最為合適，另外派什么人去和登月任務也有關，或許是地質學家，或許是建筑工程師。
周建平表示，目前，空間站水資源完全實現了自給自足，但要是在月球上僅僅實現水資源的自給自足遠遠不夠，原位建造、原位制造是一個繞不開的路徑。
