月壤砖的制作、特性与用途全解析，月壤砖：应对月球极端环境的关键材料

月壤砖展开，介绍月壤砖的原材料、制作工艺、使用环境、用途等方面的内容，还会提及华中科技大学在月壤砖研究方面的相关进展。

周  诚

华中科技大学提出的月壶尊打印建造方案示意图。

砖，作为世界上最为古老且为我们日常所熟知的建筑材料之一，在人类文明的演进历程中占据着举足轻重的地位。回顾历史，从底格里斯河上游9500年前的古老砖坯，到美索不达米亚平原出土的砖块，再从我国蓝田出土的5000年前仰韶文化晚期的烧结砖，到秦朝时烧制技术领先世界且大量应用于工程中的砖块，我们可以清晰地看到砖的起源与发展脉络。在这个过程中，砖的材料工艺不断推陈出新，其应用场景也日益丰富。

那么，所谓的“月壤砖”究竟是一种怎样的砖呢？它和地球上的砖又存在哪些差异呢？

月壤砖的原材料是月壤。月壤是覆盖在月球表面基岩之上的松散颗粒堆积物，它是陨石撞击、宇宙射线轰击以及剧烈温度变化共同作用的产物。月壤与地球土壤有着明显的区别。地球土壤是岩石经过风化作用后形成的矿物颗粒，其中由矿物质和腐殖质组成的固体颗粒大约占地球土壤体积的50%。而月壤的颗粒形态大多为棱角状、次棱角状或者长条状等。从化合物成分来看，月壤以氧化硅为主，同时还富含氧化铝、氧化铁、氧化镁、氧化钙等；从矿物成分来讲，月壤主要包含斜长石、橄榄石、辉石、钛铁矿以及玻璃物质等；就粒径分布而言，美国阿波罗与苏联“月球”的样品粒径在10微米至100微米之间，我国嫦娥五号采集的月壤样品最大粒径不超过300微米。

月壤砖的制作工艺存在多种途径。例如，在月壤中加入水和胶凝材料，就能将其制备成类混凝土砖。目前已有的研究提出的月壤基类混凝土主要包括地聚合物混凝土、碱激发混凝土、硫黄黏结类混凝土和有机物黏结类混凝土等，这些类混凝土砖在常温下的抗压强度大约为5至70兆帕。不过，这种工艺需要从地球携带部分材料到月球才能制备月壤砖。此外，还可以像烧制红砖、青砖那样，采用烧结工艺来制备月壤砖，比如微波烧结、热压烧结、电磁感应烧结等。通过这种方式制备的月壤砖，其抗压强度最高能够达到500兆帕以上，这可比普通红砖15至20兆帕的抗压强度高出许多。如果要制备结构复杂、形状特殊的月壤砖，还可以运用以激光、电子束、太阳能等为能量源的增材制造技术。

月壤砖的使用环境与地球环境截然不同。在月球上，月壤砖面临着低重力、高真空、大温变、高频月震、强辐射、微陨石冲击等极端环境。月球表面的重力仅为地球表面的约1/6，月壤砖作为月面建筑结构基础的承载力在低重力条件下是否会显著降低呢？月球的昼夜更替周期为27.32天，昼夜温差可达290摄氏度，月壤砖的性能在这种高低温循环的作用下是否会发生退化呢？月球每年大约会发生1000次深部月震，月壤砖及其建造结构能否经受住月震而不被破坏呢？宇宙射线，如质子、太阳风粒子等能够直达月面，根据嫦娥四号探测的数据，月表环境辐射达到每小时60微希沃特，是地球表面辐射水平的200倍。月壤砖是否能够抵御这些强辐射并起到保护航天员及航天器的作用呢？这些极端环境对月壤砖的力学、热学、防辐射、耐久性等性能都提出了极高的要求。华中科技大学研制的模拟月壤砖于2024年11月15日通过天舟八号成功送往中国空间站，开展为期3年的舱外暴露试验，这一试验将为未来月球基地的建设积累宝贵的科研数据。

月壤砖到底有哪些用途呢？首先就是在月球上建造房屋。美国航空航天局(NASA)设计了由33个月壤砖砌筑而成的拱形圆顶结构，佛罗里达国际大学提出了外壳由空心砌块组成的月球栖息地方案，华中科技大学则构思由预制榫卯月球砖作为基本单元来建造月球“玄武基地”。除了建造房屋，建造月面着陆场也离不开月壤砖，华中科技大学提出了由拓扑互锁月壤砖组成的月面着陆垫建造方案，该方案能够有效提高着陆垫的承载能力。目前，我国计划实施的嫦娥八号任务中有一项内容就是尝试在月球就地取材，利用3D打印技术制备月壤砖。为了达成这一目标，国家航天局探月与航天工程中心组织中国空间技术研究院、华中科技大学等单位的科研团队共同开展攻关工作。我们有理由期待，未来能够在月球上利用月壤砖建造国际月球科研站和月球基地。

(作者为华中科技大学土木与水利工程学院教授)

本文详细介绍了月壤砖，包括其原材料与地球土壤的区别、多种制作工艺、在月球极端环境下面临的挑战以及在月球建筑如造房子、建着陆场等方面的用途，还提及了华中科技大学在月壤砖相关研究和试验方面的情况。