如何在月球上修路

【美】玛纳西·瓦格

未来采矿基地和2025年“阿耳忒弥斯3号”登月任务等计划将开启人类在太阳系留下更广泛足迹的新时代。我们正在采取切实行动使月球成为真正可行的科学殖民地，无数作家和电影制作人关于人类在月球上生活的最疯狂想象在现实面前相形见绌。

建设道路和科研站点等长期基础设施的两大关键在于：可持续地生产可在月球上获取和加工的材料；拥有可在现场建造基础设施的月基设备。

为研发必要的技术，美国国家航空航天局（NASA）对学界和业界的工程创新进行了投资。2022年，NASA与总部设在美国奥斯汀的3D打印企业艾康公司签署了价值5720万美元的合同，准备在月球上修建道路和其他基础设施。“阿耳忒弥斯”计划将为人类在月球上长期、持续存在奠定基础，包括演示用于提取金属的月球采矿工具。

在学术界，美国宾夕法尼亚州立大学教授斯文·G·比伦等工程师正试图设计可行的月球表面基础设施，包括3D打印人类居所和道路，以及用微波为月球上的各种设备提供动力。

为何需要在月球修路

在月球上修路不仅是为了看起来具有未来感和酷炫。众所周知，在光秃秃的月壤（由沙尘、土壤和碎石构成的月球松散的表层）上行驶会引发问题——危险的问题。“阿波罗”计划宇航员乘坐月球车顺利执行了任务，但他们很快意识到，沙尘也被带回了月球车。比伦在接受《大众机械》记者采访时说：“首先，月壤没有像地球上的沙子或碎石那样被风化，所以就像锯齿状的小刀片，它们会进入并磨损设备接头和橡胶垫圈。”其次，由带静电的颗粒构成的月尘不仅会附着在一切物体上，还会被吸入呼吸道，对人体健康而言很危险。比伦说，平坦紧实的路面可以防止扬尘。

修路需要把松散的颗粒压成坚硬的表面。比伦说：“在地球上，我们有很多方法可以实现这一点。最简单的办法就是把地面拍实，实质上就是压缩。修很多土路时都是这样处理的。但问题是，这种路不是特别耐用。在这种路面上行驶往往会造成损耗。另一种方法是，把碎石和焦油混合在一起——这实质上是制造沥青，然后铺在路面上。”

在地球上，我们可以使用经历了化学硬化过程的水泥、细沙和少量其他化合物来制造混凝土。但在月球上，我们缺乏通常用来修路的材料。

利用月壤制造混凝土

因此，用月壤制造混凝土将成为一种必备能力。比伦和宾夕法尼亚州立大学土木工程学教授亚历山德拉·拉德林斯卡所在的跨学科团队在2019年NASA组织的3D打印居所挑战赛中获得了第二名。拉德林斯卡及其土木工程系的同事设计出建造稳定的、用机器人3D打印的火星居所必需的混凝土。这种混凝土基于一种“火星混凝土”，后者是一种将熔化的硫黄和沙子混在一起的材料。包括宾夕法尼亚州立大学教授在内的许多工程师一直在研究“火星混凝土”的用途。

宾夕法尼亚州立大学团队的混凝土原本必须模拟火星土壤，所以用的水非常少。然而，在挑战赛期间，科学家们发现，有确凿证据表明火星有水，因此工程师们得以改变混合物构成，使用更方便的波特兰水泥。这种水泥是建筑行业最常用的水泥，由石灰岩、黏土矿物、石膏和水构成。

月球将需要一种用月壤制造的成分不同的混凝土。过去几年间，拉德林斯卡的团队将模拟月壤材料送往空间站，以测试它们在不同重力条件下如何与水混合。一些样本被放在空间站外部，以模拟月球上的极端温度和辐射。

2022年，拉德林斯卡对美国土木工程师协会说，最终，月球上的混凝土可能不含任何水，因为水太珍贵，必须用于维持生命和满足其他需求。此外，还存在其他挑战，比如，在重力极低的情况下，混凝土会形成许多裂缝，需要在设计时解决这个问题。拉德林斯卡对美国土木工程师协会说，之所以会出现这种问题，是因为“太空中的负重分布情况与地球上不同，因此必须调整这些新材料的张力平衡”。她说，一种方案是，用月球上的玄武岩纤维来强化混凝土结构。

比伦认为，无论建筑原料最终是何种形式，宾夕法尼亚州立大学团队都已证明，在月球上，3D打印技术可能是最理想的建筑方法。它很高效，而且比起从24.95万英里（约合40万公里）外的地球运输材料，它的成本低得多。目前将火箭及其搭载的货物送入地球轨道的成本约为每公斤1万美元。利用月球上现有的资源是一个更加可行的解决方案。

今年3月，比伦领导的宾夕法尼亚州立大学学生研究团队被NASA选中参加该机构组织的突破、创新和颠覆（BIG）理念挑戰赛。他们将尝试用创造性的方法在月球上搜寻金属资源。比伦说，这些月壤中的金属可能被用于加固混凝土道路。在地球上，我们通过插入钢筋来加固混凝土结构。而在月球上，我们或许可以开采钛铁矿，即月壤中的黑色铁钛氧化物。比伦说，熔炼——加热并熔化铁钛氧化物以提取其金属成分——可以生产在月球上修路所需的钢筋。

英国曼彻斯特大学的一个团队最近推出了由模拟火星土壤、马铃薯淀粉和少许盐混合而成的“星球混凝土”，其强度为传统混凝土的两倍，是地外建筑项目的优秀候选材料。

NASA预计，在未来几年里，全球各地多个研究团队都将进行月球技术的小规模演示。比伦提醒说，虽然这是重要的一步，但我们距离修建月基建筑还很遥远。他说：“技术演示和在月球上真正进行大规模建设之间存在很大区别。”

用微波技术加工金属

除了3D打印技术和制造月球混凝土之外，NASA还在投入研究资金的一个领域是微波烧结，即利用高功率微波加热并压缩金属粉末，直到后者硬化成坚固的材料。这种材料看起来有点像玻璃，可以用于制作砖块，然后被安装到路面或其他结构中。比伦正在探索微波技术在月球上的诸多用途。他说，微波可以促进混凝土固化。

他说，我们可以在月球上建立“微波经济”，因为微波可以在道路材料和砖块的制作过程中为各个环节提供动力，比如金属加工。微波还可以服务于医疗、农业加工，当然还有烹饪领域。有了微波，输电就不需要大量电缆。比伦说：“你可以在月球上从一地向另一地输送电力，以运行月球车等设备。”例如，他的一名学生正在研究一种以水为基础、利用微波的推进技术。

比伦说，月球地形本身也是月球基础设施可利用的一种资源。例如，科学家正在考虑把空的熔岩管当作人类居所或储存交通工具和材料的仓库。比伦说：“好处在于不用建造它们，只需要进行修缮。”同样，陨石坑可以用作防爆屏障、着陆点或居所的地基和墙壁。他说：“就像地球上的道路规划者会利用地形和景观的特点一样。如果有山，他们不会简单地穿过去，对吧？除非这是最有效的方式。”同样，我们也可以在月球的自然地形周围修建道路和工作或生活区。

月球也将成为人类探索太空的“起跳点”。NASA在3月底宣布了“从月球到火星”计划，相关的“从月球到火星行星自主建造技术”（MMPACT）项目侧重于月球建设，准备将我们在月球上学到的技术应用于火星居所。

比伦猜测，第一批宇航员可能要到本世纪30年代才会在月球上停留。他说，在让人类在月球上持续存在成为现实的路上，我们才刚刚起步，而且只有不同学科——比如建筑、土木工程和电气——通力合作，我们才能实现这一目标。

幸运的是，在执行星际任务时，这样的合作正变得越来越普遍。比伦说：“这不是一个小问题。只有把不同背景的人聚在一起，才能真正想出新的解决方案。”

（李恒克摘自2023年4月26日《参考消息》）