月壤砖制作工艺与月球特殊环境下的应用考量

月壤砖相关的内容，包括其原材料月壤的特性，制作工艺的多种途径，使用环境的特殊性，以及在月球上诸如建造房屋、着陆场等多方面的用途等，还提到了华中科技大学在月壤砖研究方面的成果等情况。

华中科技大学提出的月壶尊打印建造方案示意图映入眼帘。

砖，作为世界上最古老的建筑材料之一，同时也是我们日常生活中极为熟悉的材料，在人类文明的演进历程里占据着举足轻重的地位。从底格里斯河上游距今9500年前的古老砖坯，到美索不达米亚平原发掘出的砖块；从我国蓝田出土的5000年前仰韶文化晚期的烧结砖，再到秦朝时烧制技术领先世界并且大量应用于工程的砖块，回顾砖的起源与发展历程，我们可以看到材料工艺一直在创新，应用场景也在不断拓展。

那所谓的“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区别呢？

月壤砖的原料是月壤。月壤指的是覆盖在月球表面基岩之上的松散颗粒堆积物质，是由陨石撞击、宇宙射线轰击以及剧烈的温度变化所产生的。月壤和地球土壤有着很大的不同。地球土壤是岩石经过风化作用形成的矿物颗粒，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；从粒径分布方面来说，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，而我国嫦娥五号采集的月壤样品最大粒径不超过300微米。

月壤砖的制作工艺有不少途径。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，这类砖在常温下的抗压强度大概为5至70兆帕。不过，这种工艺需要从地球携带一部分材料到月球才能制备月壤砖。此外，也可以像烧制红砖、青砖那样，采用烧结工艺来制备月壤砖，像微波烧结、热压烧结、电磁感应烧结等方法。这样制作出来的月壤砖，其抗压强度最高能够达到500兆帕以上，远远高于普通红砖15至20兆帕的抗压强度。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。

月壤砖的使用环境和地球环境截然不同。在月球上，月壤砖会面临低重力、高真空、大温变、高频月震、强辐射、微陨石冲击等极端环境。月球表面的重力仅仅是地球表面的约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减弱呢？月球上昼夜更替一次需要27.32天，昼夜温差能够达到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承受住月震而不被破坏呢？宇宙射线，例如质子、太阳风粒子等能够直接到达月面，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且起到保护航天员及航天器的作用呢？这些极端环境都对月壤砖的力学、热学、防辐射、耐久性等性能提出了很高的要求。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，华中科技大学则设想以预制榫卯月球砖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，这个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。为了实现这一目标，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正在共同攻关。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）

作者：周诚

本文总结了月壤砖的多方面情况，包括原材料月壤的独特性质，多种制作工艺及其各自的特点，在月球特殊环境下需要应对的各种挑战，以及月壤砖在月球上用于建筑房屋、着陆场等方面的用途，还提及了相关的科研成果和未来的规划等，全面地展示了月壤砖在月球建设中的重要意义。