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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(tuán)隊(duì)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(gè)外形酷似雞蛋殼的建筑。計(jì)劃用月壤燒出月球磚，再用機(jī)器人砌筑。
他們已制備出國內(nèi)首個(gè)模擬月壤真空燒結(jié)打印樣品，實(shí)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(gè)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?qǐng)?bào)記者見到了3D打印模型“月壺尊”。從外面看，它像是一個(gè)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(qiáng)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(shí)的長寬均為3米，類似于一個(gè)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(gè)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(jì)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(huì)極貴?！倍×以茖ⅰ霸聣刈稹倍ㄎ粸椤霸唤ㄔ臁保粗饕ㄔ觳牧蟻碓从谠虑虮旧矶皇堑厍?，“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(dá)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(yàn)。
“建筑樣式應(yīng)該充分考慮保溫隔熱?！敝苷\表示，在月面建什么樣的建筑，他們一直在進(jìn)行各種嘗試。團(tuán)隊(duì)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。“這一點(diǎn)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(gè)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(mèng)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(jī)器人進(jìn)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(duì)月球建造的共識(shí)是，不從地球上帶物質(zhì)上去，盡可能使用月球上的材料進(jìn)行原位建造。丁烈云團(tuán)隊(duì)此前在吉林一個(gè)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(qiáng)度、熱學(xué)性能、耐久性等進(jìn)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(jìn)一步優(yōu)化。
“月球造房最大的挑戰(zhàn)在于極端環(huán)境。”周誠列舉了月表環(huán)境對(duì)建造“月壺尊”的5大挑戰(zhàn)。除了晝夜巨大溫差對(duì)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(shí)間更長和頻率更高的“月震”、隕石對(duì)月表的頻繁沖擊、月表重力會(huì)改變材料與結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)等不利因素。
團(tuán)隊(duì)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(jī)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(jī)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(shì)。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(gè)建筑材料10%到15%?！凹偃簟聣刈稹?；有20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(jì)需要費(fèi)用154億元人民幣，每平方米建筑成本8.5億元人民幣，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地面建筑成本。
使用機(jī)械臂試驗(yàn)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(jī)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(duì)便宜，只需要機(jī)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(xiǎn)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(gè)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(gè)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(gè)結(jié)構(gòu)就失效了。一次性成型的風(fēng)險(xiǎn)很高，同時(shí)耗能太大。
他們團(tuán)隊(duì)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(jìn)行拼裝建造，通過燒結(jié)月球磚把一次性成型的風(fēng)險(xiǎn)分散掉，然后由機(jī)器人砌筑，同時(shí)用3D打印加強(qiáng)連接來完成結(jié)構(gòu)，避免結(jié)構(gòu)變形。
丁烈云團(tuán)隊(duì)最后將兩種施工方案融入一種名為“月蜘蛛”的機(jī)器人身上。周誠說，“月蜘蛛”屬于3D打印機(jī)器人，遠(yuǎn)看像蜘蛛，上部分是混聯(lián)機(jī)械臂，下部分是多足平臺(tái)。按照設(shè)計(jì)要求，機(jī)械臂有200千克，底盤有500千克，施工時(shí)機(jī)械臂也可換成3D打印機(jī)。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(qiáng)度依然不變；機(jī)械臂拼裝施工可以設(shè)計(jì)一個(gè)更為輕質(zhì)的設(shè)備減小地月運(yùn)輸成本。
利用月球自身材料建造，會(huì)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(huì)有人解決這個(gè)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(jī)器人砌筑等?！?/p>
沒有將設(shè)想停留在紙面
帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(shí)，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(jí)最重要的一個(gè)方面就是3D打印，而在月面打印基地的設(shè)想是一個(gè)很自然的想法。”一些建筑景觀或者小型構(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(shí)到無人的3D打印只有在極端環(huán)境才能發(fā)揮價(jià)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(tuán)隊(duì)說干就干。“當(dāng)時(shí)是我們自己研究，自己投入?！敝苷\向記者回憶，他們開啟這個(gè)項(xiàng)目的研究后，丁烈云院士帶領(lǐng)他們?nèi)ビ嘘P(guān)部委對(duì)接，對(duì)方都很“吃驚”。
中國探月工程總設(shè)計(jì)師、中國工程院院士吳偉仁關(guān)注到這個(gè)科研項(xiàng)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(jià)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，成為“工程科學(xué)與綜合交叉”的重點(diǎn)專項(xiàng)。華中科技大學(xué)成為該項(xiàng)目的首席科學(xué)家單位。
“月面基地建造工程化是一個(gè)長遠(yuǎn)的目標(biāo)，目前按照課題目標(biāo)，我們是有信心實(shí)現(xiàn)的?！倍×以聘嬖V記者，目前課題項(xiàng)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(gè)相對(duì)長遠(yuǎn)的規(guī)劃。通過進(jìn)一步月球勘探，或許會(huì)取得更多資料，說不定未來會(huì)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?！倍×以普f。
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