月球基建革命：人類如何在輻射、溫差300℃的環境下造房子？

這意味著月球上的建筑結構必須利用當地資源制造，這一過程被稱為“就地資源利用”（ISRU）。在月球上，這一過程利用增材制造（AM）或3D打印技術的進步，將月球風化層轉化為建筑材料。然而，由于技術問題，大多數3D打印技術在月球表面無法應用。

在最近的一項研究中，由阿肯色大學領導的研究小組提出了一種替代方法，即利用基于光的燒結技術制造月球磚，而不是打印整個建筑結構。

之前我們也說過月球的基地建設的方案，今天我們看下通過在月球上“就地資源利用”（ISRU）。

未來月球基地的愿景：利用3D打印技術建造和維護。

作為阿爾忒彌斯三號任務的一部分，NASA計劃到2028年將“第一位女性和第一位有色人種”送上月球。

這將是自1972年阿波羅宇航員最后一次登陸月球以來，人類首次踏上月球表面。NASA希望與國際和商業合作伙伴攜手，通過阿爾忒彌斯計劃實現“持續的月球探索和發展計劃”，其中可能包括在月球上建立長期設施和棲息地。考慮到發射重型有效載荷的成本，將所有所需設備和材料送上月球并不現實。

-就地資源利用-

這意味著月球上的建筑結構必須利用當地資源制造，這一過程被稱為“就地資源利用”（ISRU）。在月球上，這一過程利用增材制造（AM）或3D打印技術的進步，將月球風化層轉化為建筑材料。

然而，由于技術問題，大多數3D打印技術在月球表面無法應用。在最近的一項研究中，由阿肯色大學領導的研究小組提出了一種替代方法，即利用基于光的燒結技術制造月球磚，而不是打印整個建筑結構。

該研究團隊由阿肯色大學機械工程系助理教授萬壽（Wan Shou）領導。團隊成員包括科爾·麥卡勒姆（Cole McCallum）、梁有文（Youwen Liang）以及該大學工程學院榮譽學院研究員、研究助理兼博士生納希德·圖沙爾（Nahid Tushar）。團隊成員還包括來自休斯頓大學機械與航空航天工程系和坦佩雷大學工程與自然科學學院的研究人員。

月球棲息地概念圖，由建筑公司 Foster + Partners 設計

自阿波羅時代以來，在月球上建立永久（或半永久）基地一直是研究和提案的主題。

這些計劃一直受到一個簡單的事實的制約：所需的機械和建筑材料需要許多重型運載火箭才能運送，成本高昂。雖然在過去十年中，由于商業航天領域可重復使用火箭的研發，有效載荷的發射成本已大幅下降，但發射宇航員建造月球設施所需的所有設備的成本仍然高得令人望而卻步。

因此，只有ISRU技術才能在月球上建造基地。遺憾的是，大多數提出的3D打印結構方法在月球環境下并不實用，因為月球重力明顯較低（僅為地球重力的16.5%），且溫度極端。在月球南極-艾特肯盆地，陰影區，那里極有可能有“水冰”存在，這為科學家們在月球上找水，甚至建立月球基地帶來了希望。月球背面的晝夜溫差也很大，白天溫度約零上180攝氏度，夜間零下150攝氏度，晝夜溫差約330攝氏度。這是因為大多數AM方法需要向月球發射額外的補給，包括溶劑、聚合物或其他粘合劑。

例如，歐洲航天局 (ESA) 與建筑公司Foster + Partners合作，創建了3D 打印的月球基地概念。正如壽教授所解釋的那樣：

目許多增材制造方法需要使用溶劑來制備用于擠出或打印的糊狀物或復合材料。

這些方法并不可行，因為運輸溶劑的成本可能非常高，而且溶劑的蒸發可能會引發許多潛在問題。一些方法使用粘合劑或聚合物來實現增材制造。

它們也存在類似的問題——運輸額外的材料、處理廢料。此外，運行這些機器（例如打印機）需要能源供應。

燒結技術也已被探索作為在月球上3D打印結構的一種潛在方法。這包括使用各種能源，例如微波和激光，這些能源可以熔化或部分熔化月壤。然后，該結構被逐層打印出來，一旦暴露在空氣或月球環境的真空中，就會冷卻并硬化。然而，這些方法仍然需要復雜的系統來產生能量。

“因此，我們的團隊設想了一種只需要月球材料來建造結構本身的系統，從而消除了從地球進行粘合劑補給任務的瓶頸，”描述他們研究成果的論文的第一作者科爾補充道。

他們提出并推薦的方法被稱為光基燒結，它依靠一組光學裝置聚集的陽光將月球風化層直接燒結成結構。研究人員已經在地球上使用月球風化層模擬物制造玻璃和鏡子，測試了這項技術。在月球上，太陽能在陽光照射的區域始終存在且豐富，這使得它比需要運輸的電源可靠得多。該系統的簡單性使其非常適合在一旦發生故障難以維修的惡劣環境中使用。

然而，實驗表明，該技術在制造大型復雜結構時仍然存在問題。為此，蘇的團隊轉而專注于制造建筑構件。科爾說：

雖然大多數關于該主題的研究仍然依賴于粘合劑和月球土壤的混合物，但月壤中的二氧化硅含量很高，在足夠高的溫度下，它可以在燒結時自行粘合。我們在嘗試用這種方法制造更大的結構時發現，其均勻性較差，因此制造出的部件精度也較低。
由此，我們確定該方法的最佳應用場景是專注于制造大量可互鎖且可重構的積木，用于大型結構。我們相信這種“樂高積木”方法的另一個優勢在于，由于制造每個單元所需的整體空間要小得多，設備能夠適應月球任務的體積限制。

他們的工作建立在現有的燒結技術研究基礎之上，該技術利用不同的能源熔化月球風化層并制造建筑材料。

其中包括美國宇航局與太空建筑公司SINTERHAB的合作，后者提議為該機構的全地形六肢地外探測器（ATHLETE）配備微波燒結技術，以建造一個3D打印的月球棲息地。

然而，科爾表示，他們的概念尤其吸引人，因為它能夠生產可重構磚塊。

我們的磚塊組件的可重構性尤其令人興奮，因為它使我們能夠在建造過程中實現極大的靈活性。由于不同部件對材料的要求不同，我們可以根據所面臨的問題采用各種各樣的技術。對于需要大量材料且精度要求不高的結構，例如輻射屏蔽，我們認為我們的方法前景廣闊。

然而，在這一概念得以實現之前，仍有許多工作要做。正如Shou所指出的，需要進行更多研究來優化燒結參數和材料特性。

該團隊還計劃建造一個原型并進行實驗室測試，希望以此改進和擴展這項技術，使其能夠在月球上使用。他們還需要考慮最終的3D打印機如何在月球表面自行移動、它將依賴哪些電源選項以及其他一些因素。

那么你是否還有其他辦法到月球基建！？