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面對面|“基建狂魔”要用榫卯工藝在月球蓋房?專訪“中國超級泥瓦匠”


  2024年11月15日23時13分,天舟八號貨運飛船奔赴天宮。約3小時后,天舟、天宮“牽手成功”,“小時達”被成功簽收。11月16日早上,神舟十九號航天員乘組在地面配合下,打開天舟八號艙門,開始太空“拆快遞”。此次上行的貨品中,有一份神秘大禮包,那就是月壤磚,來自位于華中科技大學的國家數字建造技術創新中心。

  丁烈云:我們是做了幾套,其中有一套就放在這兒,天舟八號帶上去的就這三塊。

  月壤磚,是未來可能用于月球蓋房子的建筑材料,此次“月壤磚”前往空間站開展艙外暴露實驗,為未來在月建設積累科研數據。丁烈云作為中國工程院院士、國家數字建造技術創新中心首席科學家,牽頭了月壤磚的研制。

  丁烈云:月壤磚強度,有兩個因素的影響非常大,一個因素是礦物的成分。不同的礦物成分會影響它的強度,另外還有一種是它的燒結方式不一樣,燒結的工藝不一樣,比方說我們這采取三種燒結工藝。

  送往空間站的月壤磚形態不同,分別采用了5種不同的模擬月壤成分和3種不同的燒結工藝制作而成。和月壤磚同時到達空間站的,還有一份艙外暴露實驗的操作指南。

  丁烈云:在問天艙外面,要外掛在上面進行暴露實驗,通過宇宙射線。還有零下100攝氏度,零上100多攝氏度,高低溫的這種熱振,不斷地循環,看它今后的劣化是一個什么樣的情況。

  記者:給它考驗多長時間?

  丁烈云:我們一共是三塊板,有一塊板一年以后取下來,分析一下,第二塊板是兩年以后,最后一塊板是三年以后取下來,取下來以后,就跟地面的,我們做的同批樣品,進行性能的測試。

  記者:那你們實驗可真夠長的,最短的還得一年之后呢。

  丁烈云:科學研究就是這樣的。我們土木工程有個很大的特點,它是一個百年大計,我們做一棟房子,不是說我住一個幾年。特別在月球上去建,老化的這些機理一定要搞清楚。搞清楚了以后。你才能夠形成一份標準,建筑的標準,所以做研究不能著急,一步一步地做。

  作為人類唯一抵達過的地外天體,月球一直是科學家研究的重要對象。國際上,各航天大國也紛紛提出月球中長期駐留設想,掀起了新一輪探月熱潮。在華中科技大學的國家數字建造技術創新中心,實驗室的一個沙盤,模擬了未來月球基地的場景。

  “月壺尊”外形酷似豎立的雞蛋殼。內部空間分成上下兩層,分別為工作區和休息區。

  “月壺尊”是月面基地建筑物的定型樣式,丁烈云團隊還有另外一個大膽的構想,那就是月球玄武基地,它是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。2015年,正是對3D打印技術應用于建筑領域的研究,把丁烈云的思路帶到了月球。

  2015年,丁烈云正在擔任華中科技大學的校長,對高校在科技進步中的作用,他有自己的思考。

  丁烈云:高校一定要做未來的事,一定要做引領的事,甚至更長一點,你比方說十年以后的事,甚至是更長的一些事。

  丁烈云沒有將設想停留在紙面,而是瞄準月面基地建造帶領團隊說干就干。當時他們可以參考的是美國阿波羅計劃獲得的月球資料,包括月球表面結構特征和月面物質的化學成分、光學及熱力學物理特性等。

  記者:那您怎么能確保從各種各樣的文獻,不管是一手的,也許有二手的,那么從這些現存的資料里面,能夠搜集分析,得出一個準確的結論。

  丁烈云:不要說這個月球上的月壤,就是地球上面,它也不會有兩個,完全一樣的這個地質,它是不斷地變化的,所以我們更多還是要找出它的主成分是什么。

  研究表明,月壤是分布于月球表面的一層厚達幾至十幾米的土狀混合物,主要由巖石碎屑、礦物碎屑、玻璃質顆粒和黏合劑組成。月壤成分在不同的區域存在差異,如月海地區主要是玄武質高鈦和低鈦月壤,而月球高地地區則為斜長巖質月壤。而長白山的火山灰,是地球上能找到的和月壤成分比較接近的土壤。

  記者:拉回來以后怎么用它呢?

  丁烈云:首先要把它做成模擬月壤,模擬月壤就按照文獻上面公開發表的那些成分,比方說先把它清洗,清洗完了以后把它烘干,月壤是沒有水的,我們要把它烘干,烘干了以后,把它的有機質去掉,因為地球上的模擬月壤肯定是有有機質的,真正的月壤它是沒有有機質的。再把它碾碎,碾碎了以后再分析它的成分,因為月壤構成的成分無非就是這么幾種,你看看它里面還缺什么,缺什么再加,加了以后就變成這樣一個配制的模擬月壤。

  得到模擬月壤后,下一步就是解決月壤成型的問題。對原位建造的追求,驅使丁烈云團隊尋求新的成型方法。

  丁烈云:月壤成型它目前有幾種成型,比方說一種成型它是通過堿激發,燒堿加水,把月壤能夠凝固起來,或者加這種硫黃。然后再進行3D打印,但是一想你這不是百分之百的原位。

  記者:什么叫原位?

  丁烈云:原位就是不帶任何東西,完全利用月球上的資源,因為你要帶燒堿,你還要帶硫黃到那去,那就不是原位。

  在月面建什么樣的建筑,丁烈云團隊一直在進行各種嘗試,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,既要符合月球表面的使用環境,又要方便建造。

  月壺尊是雙層的穹頂結構,涉及12個設計參數,滿足空間最大、應力最低、保溫隔熱的要求,而且自重小、用的材料少。對于3D打印機來說,也必須滿足一定的要求。

  丁烈云:火箭的運載的能力,現在不能運載這么重的一些設備。所以現在等于說還沒有到這種程度,只是還是要驗證。用這個月壤進行擠,擠出來了以后,能不能成為一個完整的形狀。它因為打的時候要流動性好,流動性不好它擠不出來,但是流動性太好了以后,你打得它塌下去了,所以怎么樣去找到一個合適的,流動性又好,同時讓它又能夠粘得住,能夠具有一定的穩定性,這個就要不斷地研究。

  丁烈云團隊設想采用的3D打印施工,是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。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,存在大尺寸結構一次性成型困難、耗能大等問題。

  借鑒中國傳統砌筑和榫卯連接方式,丁烈云團隊創造性地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。

  2021年,科技部將“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。月面原位建造面臨著極端環境的巨大挑戰,包括原位材料單一、無液態水、低重力,月面晝夜高達300多攝氏度的溫差,還有每年約1000次2—3級的月震、宇宙射線的強輻射、月面復雜形貌與地質等,這些都讓月球上的建造工作成為極具挑戰的超級工程。

  記者:您所做的一切嘗試的前提,是假設我們是在地球上做,還是我們假設在月球上做。

  丁烈云:首先是在地球上做。在地球環境上我們先試試。我把那個跑通,再考慮各種各樣的極端條件,極端環境。真空我們是可以模擬的,我們實驗室里面就有真空,高低溫是可以模擬的,比方說零下一百攝氏度,零上一百攝氏度,甚至更高點,最難的就是低重力。月球的重力加速度是地球的六分之一,六分之一就是說人在月球上跳得很高,在地球跳不了那么高,但是它會影響在成型過程當中的品質,是不一樣的。

  月壤里含有多種礦物,它們的熔點不一樣,需要確定一個最佳的燒制溫度段,使得“月壤磚”能達到建筑材料所需的強度。但對于丁烈云團隊來說,在地球上進行的各種實驗,始終有一個缺陷,那就是無法真正模擬月球的環境,尤其是月球的重力環境。

  丁烈云:下一步應該這樣,一定要真正地在月球上去燒磚,燒了以后,再去看它的強度是個什么樣的強度,這個月壤成型的機理,這些規律是什么,要把這個慢慢地搞清楚,才能夠制定用什么樣的燒結工藝,能夠保證月壤磚它的強度是夠的。

  記者:如果要真正深入地理解這件事,一定要真實在月球環境下去燒磚。

  模擬月球的真空環境,科研人員將裝有月壤粉末的石墨模具,整體置于真空熱壓爐內進行燒制。燒制一爐模擬月壤磚,大概需要24小時。

  丁烈云:燒一次時間不會太長,實際上做熱循環實驗的時間很長。

  記者:什么叫熱循環?

  丁烈云:月球上面的一天,是地球上面的一個月。我們要把燒好的磚,要拿到很高的溫度里面去烤,然后又把它拿到低溫里面,就不斷地循環,循環多少次以后,看它的性能是不是發生了變化,就花時間很長。

  記者:我們都生活在地球上這么長時間了,春夏秋冬,什么氣候,什么濕度,大家伙都心知肚明,但是恰恰在月球上,這一切僅僅是人類有限的記載,而且沒有人在上面蓋過房子,也就是說很多條件都不知道,那這些不知道怎么變成已知呢?

  丁烈云:這個還是要利用人類的研究的成果,就是我們要做學術研究,有時候發表論文,為什么要做這件事情呢?實際上把我們研究的成果,全人類來進行共享。當時嫦娥五號的月壤沒有回來的時候,那我們只能用什么呢?用阿波羅它發表的這些成果,然后模擬阿波羅的,它帶回來月壤的這種成分。嫦娥五號的月壤回來了以后,我們有的單位先獲得了月壤,它也進行了研究,把這個成分就公開發表了,我們就知道,我們要利用這些成果,不是什么東西,都要從一做起,就是這樣你可以在別人研究的基礎上,往前邁出一大步,做自己最該想做的一些事情。

  目前,丁烈云團隊已經完成模擬月壤的三種燒結試驗,具體為真空燒結、惰性氣體燒結、空氣燒結。其中在惰性氣體中燒結強度最高,能達到100多兆帕。而在真空環境下,只需要將模擬月壤加熱到1000℃到1100℃之間,就可以實現有效的燒結。如果加壓的話,燒結的時間還可以縮短。然而,月壤磚的合理強度,要以月球的環境為依據。

  2020年12月,嫦娥五號成功從月球帶回1731克月壤樣品。這是人類首次獲得的月表面年輕火山巖區樣品,也是中國科學家第一次擁有屬于自己的地外天體返回樣品。2023年,丁烈云團隊得到了500毫克嫦娥五號采回的月壤樣品。

  進行月面建造方法研究近10年,丁烈云團隊第一次得到真實的月壤樣品,這讓他們既珍惜又興奮。

  目前,國家數字建造技術創新中心圍繞地外建造開展了三項研究工作,分別是玄武月球基地的星際樂高拼裝建造、月壺尊建筑3D打印建造和月面著陸墊建造。團隊集結了多學科的跨界人才。

  在丁烈云團隊的實驗室里,地球和月球兩條路并行不悖。學生們的研究方向涉及城市交通、地下管道、建筑機器人等多個領域。

  長期從事數字建造、工程安全理論與技術研究,加上擔任大學校長的經歷,丁烈云目前最關注的,是培養未來能夠面對挑戰、勇于探索的高素質、綜合性人才。華中科技大學土木與水利學院碩士研究生柯美翔,向我們展示的是他們研發的第三代智能化鋼筋綁扎機器人。

  記者:如果沒有它,是人用手去綁的,是吧。

  柯美翔:對的。因為它是一個重復性的工作,勞動強度很高,需要工人彎腰勞動,我們團隊就想去研發這樣一款機器人,來替代工人進行綁扎工作。

  自1969年阿波羅11號成功實現人類首次登月以來,人類對月球的探索從未停歇。隨著我國航天科技的不斷進步,我們對月球的認知逐步加深,探索的步伐也日益加快。此次模擬月壤磚搭乘天舟八號進入太空實驗室,將為未來的月球基地建設提供相關數據支持。

  當前,各國已設計多類月面建造結構方案,主要包括剛性結構、可展開結構、充氣結構、3D打印結構、砌筑拼裝結構、地下結構等。仰望星空、腳踏實地,丁烈云團隊的實驗還在繼續。

  丁烈云:今天在月球上的這些試驗,是為我們今后走得更遠,提供的某一種更基礎的研究,也是把月球作為一個試驗基地,讓人類深空探測能夠走得更遠。



 
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