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。
他們已制備出國內首個模擬月壤真空燒結打印樣品，實現“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，現在的預研究是一種探索。
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”。(國家數字建造技術創新中心供圖)
7月7日，在華中科技大學國家數字建造技術創新中心，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”，蛋殼頂端是穹頂結構，蛋殼體分內外兩層，中間夾一層類似于肋骨的結構，以增強穩定性。
“月壺尊”內部構造示意圖。(國家數字建造技術創新中心供圖)
華中科技大學土木與水利工程學院數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，類似于一個圓形結構的房子，房間分成上下兩層，分成工作間和休息間。
這個大膽的構想是中國工程院院士、國家數字建造技術創新中心首席科學家丁烈云提出的。他們將中國傳統制磚砌筑的建造方式與3D打印建造方式相結合，采用整體預制拼裝、局部打印連接的方式，設計建造月面基地。
“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。”丁烈云將“月壺尊”定位為“原位建造”，即主要建造材料來源于月球本身而不是地球，“開始覺得難，現在已經有一些技術支撐，不像原來的那么難了。”
由于月球上沒有大氣，再加上月面物質的熱容量和導熱率又很低，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構、拱形結構以及柱狀結構，很多造型反復嘗試，要符合月球表面的使用環境，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。“這一點符合丁烈云院士要求的既體現中國元素又有科技感。”現在，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。
上小學的兒子得知周誠研究“月壺尊”的用途后很興奮，每天放學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光照的區域，可作為月球基地的理想選址。
用月壤燒制帶有榫卯結構的磚
機器人進行拼裝建造
韓文彬展示他們打印的有榫卯結構的月壤磚。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，國家數字建造技術創新中心同樣熱火朝天。室內兩名博士生韓文彬和王宇向正圍著電加熱爐，觀看模擬月壤燒結成型磚塊的過程，看看燒結產品在月面環境下可不可靠。
燒結完成后，韓文彬對產品的強度、熱學性能、耐久性等進行研究，而王宇向則在導師周誠教授的安排下專注于3D打印工藝的進一步優化。
“月球造房最大的挑戰在于極端環境。”周誠列舉了月表環境對建造“月壺尊”的5大挑戰。除了晝夜巨大溫差對房子的結構性能影響外，還有散熱規律不同于地球的真空環境、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構的受力狀態等不利因素。
團隊最初設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構，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勢。3D打印需要從地球上攜帶黏結劑到月球上去，一般黏結劑的重量占到整個建筑材料10%到15%。“假若‘月壺尊’；有20噸，那么3D打印至少需要2噸以上的黏結劑。”韓文彬說，2噸黏結劑加上300千克的3D打印設備，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。國家數字建造技術創新中心供圖
機械臂拼裝施工則需要用高能束（太陽能或者激光）燒結月壤，鋪一層月壤燒結一次，如此往復，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。但是這種施工風險較高，很難克服月表溫差影響，容易造成結構變形。
周誠介紹，國外建造月面基地的技術體系是3D打印。這個工藝可以建造各種形狀的月球基地結構，但3D打印是個連續過程，一旦打印過程出現被打印結構破損開裂的情況，整個結構就失效了。一次性成型的風險很高，同時耗能太大。
他們團隊借鑒中國傳統砌筑和榫卯連接方式，提出利用月壤燒結出帶有榫卯結構的月壤磚，再進行拼裝建造，通過燒結月球磚把一次性成型的風險分散掉，然后由機器人砌筑，同時用3D打印加強連接來完成結構，避免結構變形。
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，上部分是混聯機械臂，下部分是多足平臺。按照設計要求，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，不同的是施工環境差異，月面施工需要將結構和材料一體考慮。
王宇向也向記者透露了降低成本的設想。他說，占比10%至15%的黏結劑是否可以減少到10%以內，強度依然不變；機械臂拼裝施工可以設計一個更為輕質的設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和業態，如3D打印建造、機器人砌筑等。”
沒有將設想停留在紙面
帶領團隊說干就干
“月壺尊”有夾層結構。記者楊佳峰 攝
建造月面基地的設想起始于2015年。當時，專注于數字建造研究的丁烈云院士在研究中發現，“建筑轉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想是一個很自然的想法。”一些建筑景觀或者小型構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打印只有在極端環境才能發揮價值。極端環境在哪？他首先想到的是地外極端環境，例如在月球或者火星上。他說，“這是很自然的想法，而不是突發奇想。”
丁烈云院士沒有將設想停留在紙面，瞄準月面基地建造帶領團隊說干就干。“當時是我們自己研究，自己投入。”周誠向記者回憶，他們開啟這個項目的研究后，丁烈云院士帶領他們去有關部委對接，對方都很“吃驚”。
中國探月工程總設計師、中國工程院院士吳偉仁關注到這個科研項目，認為在月面打印基地的設想——“輕量化可重構月面建造方法研究”屬于基礎性研究，很有價值。
科技部2021年底將“輕量化可重構月面建造方法研究”列入重點研發計劃，成為“工程科學與綜合交叉”的重點專項。華中科技大學成為該項目的首席科學家單位。
“月面基地建造工程化是一個長遠的目標，目前按照課題目標，我們是有信心實現的。”丁烈云告訴記者，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路線，或者采用更新的技術路徑來建造月球基地。”丁烈云說。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
