面对面｜“基建狂魔”要用榫卯工艺在月球盖房？专访“中国超级泥瓦匠”

面对面｜“基建狂魔”要用榫卯工艺在月球盖房？专访“中国超级泥瓦匠”

2024年11月15日23时13分，天舟八号货运飞船奔赴天宫。约3小时后，天舟、天宫“牵手成功”，“小时达”被成功签收。11月16日早上，神舟十九号航天员乘组在地面配合下，打开天舟八号舱门，开始太空“拆快递”。此次上行的货品中，有一份神秘大礼包，那就是月壤砖，来自位于华中科技大学的国家数字建造技术创新中心。

月壤砖，是未来可能用于月球盖房子的建筑材料，此次“月壤砖”前往空间站开展舱外暴露实验，为未来在月建设积累科研数据。丁烈云作为中国工程院院士、国家数字建造技术创新中心首席科学家，牵头了月壤砖的研制。

月壤砖强度，有两个因素的影响非常大，一个因素是矿物的成分。不同的矿物成分会影响它的强度，另外还有一种是它的烧结方式不一样，烧结的工艺不一样，比方说采取三种烧结工艺。送往空间站的月壤砖形态不同，分别采用了5种不同的模拟月壤成分和3种不同的烧结工艺制作而成。和月壤砖同时到达空间站的，还有一份舱外暴露实验的操作指南。

在问天舱外面，要外挂在上面进行暴露实验，通过宇宙射线。还有零下100摄氏度，零上100多摄氏度，高低温的这种热振，不断地循环，看它今后的劣化是一个什么样的情况。实验计划分三个阶段，第一块板一年以后取下来，分析一下，第二块板是两年以后，最后一块板是三年以后取下来，取下来以后，就跟地面的，进行性能的测试。

作为人类唯一抵达过的地外天体，月球一直是科学家研究的重要对象。国际上，各航天大国也纷纷提出月球中长期驻留设想，掀起了新一轮探月热潮。在华中科技大学的国家数字建造技术创新中心，实验室的一个沙盘，模拟了未来月球基地的场景。

“月壶尊”外形酷似竖立的鸡蛋壳。内部空间分成上下两层，分别为工作区和休息区。“月壶尊”是月面基地建筑物的定型样式，丁烈云团队还有另外一个大胆的构想，那就是月球玄武基地，它是将中国传统制砖砌筑的建造方式与3D打印建造方式相结合，采用整体预制拼装、局部打印连接的方式，设计建造月面基地。2015年，正是对3D打印技术应用于建筑领域的研究，把丁烈云的思路带到了月球。

研究表明，月壤是分布于月球表面的一层厚达几至十几米的土状混合物，主要由岩石碎屑、矿物碎屑、玻璃质颗粒和黏合剂组成。月壤成分在不同的区域存在差异，如月海地区主要是玄武质高钛和低钛月壤，而月球高地地区则为斜长岩质月壤。而长白山的火山灰，是地球上能找到的和月壤成分比较接近的土壤。

得到模拟月壤后，下一步就是解决月壤成型的问题。对原位建造的追求，驱使丁烈云团队寻求新的成型方法。月壶尊是双层的穹顶结构，涉及12个设计参数，满足空间最大、应力最低、保温隔热的要求，而且自重小、用的材料少。对于3D打印机来说，也必须满足一定的要求。

丁烈云团队设想采用3D打印施工，是先在月表用注浆加固法打地基，然后在地基上打印结构，穹顶采用气囊放置法固定，再在气囊上打印穹顶，最终打印成型。这个工艺可以建造各种形状的月球基地结构，但3D打印是个连续过程，存在大尺寸结构一次性成型困难、耗能大等问题。

借鉴中国传统砌筑和榫卯连接方式，丁烈云团队创造性地提出利用月壤烧结出带有榫卯结构的月壤砖，再进行拼装建造，通过烧结月球砖把一次性成型的风险分散掉，然后由机器人砌筑，同时用3D打印加强连接来完成结构，避免结构变形。

2021年，科技部将“轻量化可重构月面建造方法研究”列入重点研发计划，成为“工程科学与综合交叉”的重点专项。华中科技大学成为该项目的首席科学家单位。月面原位建造面临着极端环境的巨大挑战，包括原位材料单一、无液态水、低重力，月面昼夜高达300多摄氏度的温差，还有每年约1000次2—3级的月震、宇宙射线的强辐射、月面复杂形貌与地质等，这些都让月球上的建造工作成为极具挑战的超级工程。

月壤里含有多种矿物，它们的熔点不一样，需要确定一个最佳的烧制温度段，使得“月壤砖”能达到建筑材料所需的强度。但对于丁烈云团队来说，在地球上进行的各种实验，始终有一个缺陷，那就是无法真正模拟月球的环境，尤其是月球的重力环境。

模拟月球的真空环境，科研人员将装有月壤粉末的石墨模具，整体置于真空热压炉内进行烧制。烧制一炉模拟月壤砖，大概需要24小时。烧一次时间不会太长，实际上做热循环实验的时间很长。月球上面的一天，是地球上面的一个月。要把烧好的砖，要拿到很高的温度里面去烤，然后又把它拿到低温里面，就不断地循环，循环多少次以后，看它的性能是不是发生了变化，就花时间很长。

目前，丁烈云团队已经完成模拟月壤的三种烧结试验，具体为真空烧结、惰性气体烧结、空气烧结。其中在惰性气体中烧结强度最高，能达到100多兆帕。而在真空环境下，只需要将模拟月壤加热到1000℃到1100℃之间，就可以实现有效的烧结。如果加压的话，烧结的时间还可以缩短。然而，月壤砖的合理强度，要以月球的环境为依据。

2020年12月，嫦娥五号成功从月球带回1731克月壤样品。这是人类首次获得的月表面年轻火山岩区样品，也是中国科学家第一次拥有属于自己的地外天体返回样品。2023年，丁烈云团队得到了500毫克嫦娥五号采回的月壤样品。

进行月面建造方法研究近10年，丁烈云团队第一次得到真实的月壤样品，这让他们既珍惜又兴奋。目前，国家数字建造技术创新中心围绕地外建造开展了三项研究工作，分别是玄武月球基地的星际乐高拼装建造、月壶尊建筑3D打印建造和月面着陆垫建造。团队集结了多学科的跨界人才。

在丁烈云团队的实验室里，地球和月球两条路并行不悖。学生们的研究方向涉及城市交通、地下管道、建筑机器人等多个领域。长期从事数字建造、工程安全理论与技术研究，加上担任大学校长的经历，丁烈云目前最关注的，是培养未来能够面对挑战、勇于探索的高素质、综合性人才。华中科技大学土木与水利学院硕士研究生柯美翔，向我们展示的是他们研发的第三代智能化钢筋绑扎机器人。

自1969年阿波罗11号成功实现人类首次登月以来，人类对月球的探索从未停歇。随着我国航天科技的不断进步，我们对月球的认知逐步加深，探索的步伐也日益加快。此次模拟月壤砖搭乘天舟八号进入太空实验室，将为未来的月球基地建设提供相关数据支持。

当前，各国已设计多类月面建造结构方案，主要包括刚性结构、可展开结构、充气结构、3D打印结构、砌筑拼装结构、地下结构等。仰望星空、脚踏实地，丁烈云团队的实验还在继续。