如何在月球上修路

【美】瑪納西·瓦格

未來采礦基地和2025年“阿耳忒彌斯3號(hào)”登月任務(wù)等計(jì)劃將開啟人類在太陽(yáng)系留下更廣泛足跡的新時(shí)代。我們正在采取切實(shí)行動(dòng)使月球成為真正可行的科學(xué)殖民地，無數(shù)作家和電影制作人關(guān)于人類在月球上生活的最瘋狂想象在現(xiàn)實(shí)面前相形見絀。

建設(shè)道路和科研站點(diǎn)等長(zhǎng)期基礎(chǔ)設(shè)施的兩大關(guān)鍵在于：可持續(xù)地生產(chǎn)可在月球上獲取和加工的材料；擁有可在現(xiàn)場(chǎng)建造基礎(chǔ)設(shè)施的月基設(shè)備。

為研發(fā)必要的技術(shù)，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）對(duì)學(xué)界和業(yè)界的工程創(chuàng)新進(jìn)行了投資。2022年，NASA與總部設(shè)在美國(guó)奧斯汀的3D打印企業(yè)艾康公司簽署了價(jià)值5720萬(wàn)美元的合同，準(zhǔn)備在月球上修建道路和其他基礎(chǔ)設(shè)施。“阿耳忒彌斯”計(jì)劃將為人類在月球上長(zhǎng)期、持續(xù)存在奠定基礎(chǔ)，包括演示用于提取金屬的月球采礦工具。

在學(xué)術(shù)界，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)教授斯文·G·比倫等工程師正試圖設(shè)計(jì)可行的月球表面基礎(chǔ)設(shè)施，包括3D打印人類居所和道路，以及用微波為月球上的各種設(shè)備提供動(dòng)力。

為何需要在月球修路

在月球上修路不僅是為了看起來具有未來感和酷炫。眾所周知，在光禿禿的月壤（由沙塵、土壤和碎石構(gòu)成的月球松散的表層）上行駛會(huì)引發(fā)問題——危險(xiǎn)的問題。“阿波羅”計(jì)劃宇航員乘坐月球車順利執(zhí)行了任務(wù)，但他們很快意識(shí)到，沙塵也被帶回了月球車。比倫在接受《大眾機(jī)械》記者采訪時(shí)說：“首先，月壤沒有像地球上的沙子或碎石那樣被風(fēng)化，所以就像鋸齒狀的小刀片，它們會(huì)進(jìn)入并磨損設(shè)備接頭和橡膠墊圈。”其次，由帶靜電的顆粒構(gòu)成的月塵不僅會(huì)附著在一切物體上，還會(huì)被吸入呼吸道，對(duì)人體健康而言很危險(xiǎn)。比倫說，平坦緊實(shí)的路面可以防止揚(yáng)塵。

修路需要把松散的顆粒壓成堅(jiān)硬的表面。比倫說：“在地球上，我們有很多方法可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。最簡(jiǎn)單的辦法就是把地面拍實(shí)，實(shí)質(zhì)上就是壓縮。修很多土路時(shí)都是這樣處理的。但問題是，這種路不是特別耐用。在這種路面上行駛往往會(huì)造成損耗。另一種方法是，把碎石和焦油混合在一起——這實(shí)質(zhì)上是制造瀝青，然后鋪在路面上。”

在地球上，我們可以使用經(jīng)歷了化學(xué)硬化過程的水泥、細(xì)沙和少量其他化合物來制造混凝土。但在月球上，我們?nèi)狈νǔＳ脕硇蘼返牟牧稀?/p>

利用月壤制造混凝土

因此，用月壤制造混凝土將成為一種必備能力。比倫和賓夕法尼亞州立大學(xué)土木工程學(xué)教授亞歷山德拉·拉德林斯卡所在的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)在2019年NASA組織的3D打印居所挑戰(zhàn)賽中獲得了第二名。拉德林斯卡及其土木工程系的同事設(shè)計(jì)出建造穩(wěn)定的、用機(jī)器人3D打印的火星居所必需的混凝土。這種混凝土基于一種“火星混凝土”，后者是一種將熔化的硫黃和沙子混在一起的材料。包括賓夕法尼亞州立大學(xué)教授在內(nèi)的許多工程師一直在研究“火星混凝土”的用途。

賓夕法尼亞州立大學(xué)團(tuán)隊(duì)的混凝土原本必須模擬火星土壤，所以用的水非常少。然而，在挑戰(zhàn)賽期間，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，有確鑿證據(jù)表明火星有水，因此工程師們得以改變混合物構(gòu)成，使用更方便的波特蘭水泥。這種水泥是建筑行業(yè)最常用的水泥，由石灰?guī)r、黏土礦物、石膏和水構(gòu)成。

月球?qū)⑿枰环N用月壤制造的成分不同的混凝土。過去幾年間，拉德林斯卡的團(tuán)隊(duì)將模擬月壤材料送往空間站，以測(cè)試它們?cè)诓煌亓l件下如何與水混合。一些樣本被放在空間站外部，以模擬月球上的極端溫度和輻射。

2022年，拉德林斯卡對(duì)美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)說，最終，月球上的混凝土可能不含任何水，因?yàn)樗滟F，必須用于維持生命和滿足其他需求。此外，還存在其他挑戰(zhàn)，比如，在重力極低的情況下，混凝土?xí)纬稍S多裂縫，需要在設(shè)計(jì)時(shí)解決這個(gè)問題。拉德林斯卡對(duì)美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)說，之所以會(huì)出現(xiàn)這種問題，是因?yàn)椤疤罩械呢?fù)重分布情況與地球上不同，因此必須調(diào)整這些新材料的張力平衡”。她說，一種方案是，用月球上的玄武巖纖維來強(qiáng)化混凝土結(jié)構(gòu)。

比倫認(rèn)為，無論建筑原料最終是何種形式，賓夕法尼亞州立大學(xué)團(tuán)隊(duì)都已證明，在月球上，3D打印技術(shù)可能是最理想的建筑方法。它很高效，而且比起從24.95萬(wàn)英里（約合40萬(wàn)公里）外的地球運(yùn)輸材料，它的成本低得多。目前將火箭及其搭載的貨物送入地球軌道的成本約為每公斤1萬(wàn)美元。利用月球上現(xiàn)有的資源是一個(gè)更加可行的解決方案。

今年3月，比倫領(lǐng)導(dǎo)的賓夕法尼亞州立大學(xué)學(xué)生研究團(tuán)隊(duì)被NASA選中參加該機(jī)構(gòu)組織的突破、創(chuàng)新和顛覆（BIG）理念挑戰(zhàn)賽。他們將嘗試用創(chuàng)造性的方法在月球上搜尋金屬資源。比倫說，這些月壤中的金屬可能被用于加固混凝土道路。在地球上，我們通過插入鋼筋來加固混凝土結(jié)構(gòu)。而在月球上，我們或許可以開采鈦鐵礦，即月壤中的黑色鐵鈦氧化物。比倫說，熔煉——加熱并熔化鐵鈦氧化物以提取其金屬成分——可以生產(chǎn)在月球上修路所需的鋼筋。

英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)最近推出了由模擬火星土壤、馬鈴薯淀粉和少許鹽混合而成的“星球混凝土”，其強(qiáng)度為傳統(tǒng)混凝土的兩倍，是地外建筑項(xiàng)目的優(yōu)秀候選材料。

NASA預(yù)計(jì)，在未來幾年里，全球各地多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)都將進(jìn)行月球技術(shù)的小規(guī)模演示。比倫提醒說，雖然這是重要的一步，但我們距離修建月基建筑還很遙遠(yuǎn)。他說：“技術(shù)演示和在月球上真正進(jìn)行大規(guī)模建設(shè)之間存在很大區(qū)別。”

用微波技術(shù)加工金屬

除了3D打印技術(shù)和制造月球混凝土之外，NASA還在投入研究資金的一個(gè)領(lǐng)域是微波燒結(jié)，即利用高功率微波加熱并壓縮金屬粉末，直到后者硬化成堅(jiān)固的材料。這種材料看起來有點(diǎn)像玻璃，可以用于制作磚塊，然后被安裝到路面或其他結(jié)構(gòu)中。比倫正在探索微波技術(shù)在月球上的諸多用途。他說，微波可以促進(jìn)混凝土固化。

他說，我們可以在月球上建立“微波經(jīng)濟(jì)”，因?yàn)槲⒉梢栽诘缆凡牧虾痛u塊的制作過程中為各個(gè)環(huán)節(jié)提供動(dòng)力，比如金屬加工。微波還可以服務(wù)于醫(yī)療、農(nóng)業(yè)加工，當(dāng)然還有烹飪領(lǐng)域。有了微波，輸電就不需要大量電纜。比倫說：“你可以在月球上從一地向另一地輸送電力，以運(yùn)行月球車等設(shè)備。”例如，他的一名學(xué)生正在研究一種以水為基礎(chǔ)、利用微波的推進(jìn)技術(shù)。

比倫說，月球地形本身也是月球基礎(chǔ)設(shè)施可利用的一種資源。例如，科學(xué)家正在考慮把空的熔巖管當(dāng)作人類居所或儲(chǔ)存交通工具和材料的倉(cāng)庫(kù)。比倫說：“好處在于不用建造它們，只需要進(jìn)行修繕。”同樣，隕石坑可以用作防爆屏障、著陸點(diǎn)或居所的地基和墻壁。他說：“就像地球上的道路規(guī)劃者會(huì)利用地形和景觀的特點(diǎn)一樣。如果有山，他們不會(huì)簡(jiǎn)單地穿過去，對(duì)吧？除非這是最有效的方式。”同樣，我們也可以在月球的自然地形周圍修建道路和工作或生活區(qū)。

月球也將成為人類探索太空的“起跳點(diǎn)”。NASA在3月底宣布了“從月球到火星”計(jì)劃，相關(guān)的“從月球到火星行星自主建造技術(shù)”（MMPACT）項(xiàng)目側(cè)重于月球建設(shè)，準(zhǔn)備將我們?cè)谠虑蛏蠈W(xué)到的技術(shù)應(yīng)用于火星居所。

比倫猜測(cè)，第一批宇航員可能要到本世紀(jì)30年代才會(huì)在月球上停留。他說，在讓人類在月球上持續(xù)存在成為現(xiàn)實(shí)的路上，我們才剛剛起步，而且只有不同學(xué)科——比如建筑、土木工程和電氣——通力合作，我們才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

幸運(yùn)的是，在執(zhí)行星際任務(wù)時(shí)，這樣的合作正變得越來越普遍。比倫說：“這不是一個(gè)小問題。只有把不同背景的人聚在一起，才能真正想出新的解決方案。”

（李恒克摘自2023年4月26日《參考消息》）