周誠教授查看3D打印出來的“月壺尊”。記者楊佳峰 攝
在月球上蓋樓你敢想嗎？華中科技大學(xué)丁烈云院士團隊不但敢想還敢干。他們把中國在月球上建造的月面基地樣式定名為“月壺尊”，這是一個外形酷似雞蛋殼的建筑。計劃用月壤燒出月球磚，再用機器人砌筑。
他們已制備出國內(nèi)首個模擬月壤真空燒結(jié)打印樣品，實現(xiàn)“從0到1”的重大突破。丁烈云介紹，“月壺尊”是先于人上月球還是后于人在月球上建造，還沒有考慮成熟，現(xiàn)在的預(yù)研究是一種探索。
月面基地建筑物定型“月壺尊”
像個豎立的雞蛋殼
“月壺尊”月面基地效果圖，左邊為建造月壺尊的“月蜘蛛”。(國家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心供圖)
7月7日，在華中科技大學(xué)國家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心，長江日報記者見到了3D打印模型“月壺尊”。從外面看，它像是一個放大的雞蛋殼豎立在地面。
作為建筑物，“月壺尊”里面并沒有承重的“四梁八柱”，蛋殼頂端是穹頂結(jié)構(gòu)，蛋殼體分內(nèi)外兩層，中間夾一層類似于肋骨的結(jié)構(gòu)，以增強穩(wěn)定性。
“月壺尊”內(nèi)部構(gòu)造示意圖。(國家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心供圖)
華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院數(shù)字建造與工程管理系主任周誠教授介紹，記者眼前的“月壺尊”屬于縮小版，它真實的長寬均為3米，類似于一個圓形結(jié)構(gòu)的房子，房間分成上下兩層，分成工作間和休息間。
這個大膽的構(gòu)想是中國工程院院士、國家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心首席科學(xué)家丁烈云提出的。他們將中國傳統(tǒng)制磚砌筑的建造方式與3D打印建造方式相結(jié)合，采用整體預(yù)制拼裝、局部打印連接的方式，設(shè)計建造月面基地。
“月面基地不可能從地球上攜帶建筑材料去建造，這樣的話建筑成本會極貴?！倍×以茖ⅰ霸聣刈稹倍ㄎ粸椤霸唤ㄔ臁?，即主要建造材料來源于月球本身而不是地球，“開始覺得難，現(xiàn)在已經(jīng)有一些技術(shù)支撐，不像原來的那么難了?！?/p>
由于月球上沒有大氣，再加上月面物質(zhì)的熱容量和導(dǎo)熱率又很低，因而月球表面晝夜的溫差很大。白天，月球表面在陽光垂直照射的地方溫度最高可達127℃；夜晚，其表面溫度可降低到零下183℃。在這樣的地方建造房子無疑是一種考驗。
“建筑樣式應(yīng)該充分考慮保溫隔熱。”周誠表示，在月面建什么樣的建筑，他們一直在進行各種嘗試。團隊起初嘗試了穹頂結(jié)構(gòu)、拱形結(jié)構(gòu)以及柱狀結(jié)構(gòu)，很多造型反復(fù)嘗試，要符合月球表面的使用環(huán)境，又要方便建造。
2021年底，外形像豎立的雞蛋殼的“月壺尊”成為月面基地建筑物的定型樣式?！斑@一點符合丁烈云院士要求的既體現(xiàn)中國元素又有科技感。”現(xiàn)在，周誠每天的研究工作都圍繞這枚“蛋殼”打交道，用什么材料、用什么工具、怎么建造。
上小學(xué)的兒子得知周誠研究“月壺尊”的用途后很興奮，每天放學(xué)回家后就纏著父親問個不停。在孩子眼中，嫦娥奔月、吳剛伐桂、天狗吞月這些都是傳說，還有什么比在月球上做房子更夢幻的事呢！
周誠表示，月表地震頻繁，“月壺尊”造型的穩(wěn)定性可以抗擊小地震，也恰好滿足了建筑物保溫隔熱的效能。中國的探月工程表明，月球南極可能有連續(xù)光照的區(qū)域，可作為月球基地的理想選址。
用月壤燒制帶有榫卯結(jié)構(gòu)的磚
機器人進行拼裝建造
韓文彬展示他們打印的有榫卯結(jié)構(gòu)的月壤磚。記者楊佳峰 攝
國際上對月球建造的共識是，不從地球上帶物質(zhì)上去，盡可能使用月球上的材料進行原位建造。丁烈云團隊此前在吉林一個火山口尋獲到的火山灰，成為建造“月壺尊”的模擬月壤。
今年暑假期間，國家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心同樣熱火朝天。室內(nèi)兩名博士生韓文彬和王宇向正圍著電加熱爐，觀看模擬月壤燒結(jié)成型磚塊的過程，看看燒結(jié)產(chǎn)品在月面環(huán)境下可不可靠。
燒結(jié)完成后，韓文彬?qū)Ξa(chǎn)品的強度、熱學(xué)性能、耐久性等進行研究，而王宇向則在導(dǎo)師周誠教授的安排下專注于3D打印工藝的進一步優(yōu)化。
“月球造房最大的挑戰(zhàn)在于極端環(huán)境?！敝苷\列舉了月表環(huán)境對建造“月壺尊”的5大挑戰(zhàn)。除了晝夜巨大溫差對房子的結(jié)構(gòu)性能影響外，還有散熱規(guī)律不同于地球的真空環(huán)境、時間更長和頻率更高的“月震”、隕石對月表的頻繁沖擊、月表重力會改變材料與結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)等不利因素。
團隊最初設(shè)想采用兩種方式在月表建造“月壺尊”。一種采用3D打印施工，先在月表用注漿加固法打地基，然后在地基上打印結(jié)構(gòu)，穹頂采用氣囊放置法固定，再在氣囊上打印穹頂，最終打印成型；另一種方式主要采用機械臂拼裝施工，將太陽能或者激光燒結(jié)好的月壤磚通過機械臂一塊塊拼接起來，并提前做好“月壺尊”穹頂。
兩種施工方式各有優(yōu)勢。3D打印需要從地球上攜帶黏結(jié)劑到月球上去，一般黏結(jié)劑的重量占到整個建筑材料10%到15%?！凹偃簟聣刈稹挥?0噸，那么3D打印至少需要2噸以上的黏結(jié)劑?！表n文彬說，2噸黏結(jié)劑加上300千克的3D打印設(shè)備，總共2.3噸材料送往月球，合計需要費用154億元人民幣，每平方米建筑成本8.5億元人民幣，遠遠高于地面建筑成本。
使用機械臂試驗完成月壤磚的拼裝。國家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心供圖
機械臂拼裝施工則需要用高能束（太陽能或者激光）燒結(jié)月壤，鋪一層月壤燒結(jié)一次，如此往復(fù)，直到“月壺尊”全部拼裝成型。好處是建造成本相對便宜，只需要機械臂和燒制設(shè)備，比3D打印送往月球的材料要輕，建造成本也降低。但是這種施工風(fēng)險較高，很難克服月表溫差影響，容易造成結(jié)構(gòu)變形。
周誠介紹，國外建造月面基地的技術(shù)體系是3D打印。這個工藝可以建造各種形狀的月球基地結(jié)構(gòu)，但3D打印是個連續(xù)過程，一旦打印過程出現(xiàn)被打印結(jié)構(gòu)破損開裂的情況，整個結(jié)構(gòu)就失效了。一次性成型的風(fēng)險很高，同時耗能太大。
他們團隊借鑒中國傳統(tǒng)砌筑和榫卯連接方式，提出利用月壤燒結(jié)出帶有榫卯結(jié)構(gòu)的月壤磚，再進行拼裝建造，通過燒結(jié)月球磚把一次性成型的風(fēng)險分散掉，然后由機器人砌筑，同時用3D打印加強連接來完成結(jié)構(gòu)，避免結(jié)構(gòu)變形。
丁烈云團隊最后將兩種施工方案融入一種名為“月蜘蛛”的機器人身上。周誠說，“月蜘蛛”屬于3D打印機器人，遠看像蜘蛛，上部分是混聯(lián)機械臂，下部分是多足平臺。按照設(shè)計要求，機械臂有200千克，底盤有500千克，施工時機械臂也可換成3D打印機。地面打印“月壺尊”和月面打印的步驟是一樣的，不同的是施工環(huán)境差異，月面施工需要將結(jié)構(gòu)和材料一體考慮。
王宇向也向記者透露了降低成本的設(shè)想。他說，占比10%至15%的黏結(jié)劑是否可以減少到10%以內(nèi)，強度依然不變；機械臂拼裝施工可以設(shè)計一個更為輕質(zhì)的設(shè)備減小地月運輸成本。
利用月球自身材料建造，會大大降低成本，國外也是這條路徑。周誠說，“在月球上造房子，不一定是我們這一代就能完成的事，但未來會有人解決這個問題。月球基地建造的研究也可以催生出新的技術(shù)和業(yè)態(tài)，如3D打印建造、機器人砌筑等?！?/p>
沒有將設(shè)想停留在紙面
帶領(lǐng)團隊說干就干
“月壺尊”有夾層結(jié)構(gòu)。記者楊佳峰 攝
建造月面基地的設(shè)想起始于2015年。當(dāng)時，專注于數(shù)字建造研究的丁烈云院士在研究中發(fā)現(xiàn)，“建筑轉(zhuǎn)型升級最重要的一個方面就是3D打印，而在月面打印基地的設(shè)想是一個很自然的想法?！币恍┙ㄖ坝^或者小型構(gòu)筑物采用人工往往沒辦法去做，而采用3D打印則很容易完成，這讓丁烈云院士敏銳意識到無人的3D打印只有在極端環(huán)境才能發(fā)揮價值。極端環(huán)境在哪？他首先想到的是地外極端環(huán)境，例如在月球或者火星上。他說，“這是很自然的想法，而不是突發(fā)奇想。”
丁烈云院士沒有將設(shè)想停留在紙面，瞄準(zhǔn)月面基地建造帶領(lǐng)團隊說干就干?！爱?dāng)時是我們自己研究，自己投入。”周誠向記者回憶，他們開啟這個項目的研究后，丁烈云院士帶領(lǐng)他們?nèi)ビ嘘P(guān)部委對接，對方都很“吃驚”。
中國探月工程總設(shè)計師、中國工程院院士吳偉仁關(guān)注到這個科研項目，認(rèn)為在月面打印基地的設(shè)想——“輕量化可重構(gòu)月面建造方法研究”屬于基礎(chǔ)性研究，很有價值。
科技部2021年底將“輕量化可重構(gòu)月面建造方法研究”列入重點研發(fā)計劃，成為“工程科學(xué)與綜合交叉”的重點專項。華中科技大學(xué)成為該項目的首席科學(xué)家單位。
“月面基地建造工程化是一個長遠的目標(biāo)，目前按照課題目標(biāo)，我們是有信心實現(xiàn)的?！倍×以聘嬖V記者，目前課題項目還有一系列的問題要解決，比方說打印好了“月壺尊”以后里面充氣設(shè)施如何工作、建造“月壺尊”的月面具體選址問題等，好多問題都需要解決。
“目前我們所做的就是從0到1的探索，不能說馬上就能使用，這是一個相對長遠的規(guī)劃。通過進一步月球勘探，或許會取得更多資料，說不定未來會變更技術(shù)路線，或者采用更新的技術(shù)路徑來建造月球基地。”丁烈云說。
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