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日晚，历史性的时刻即将来临。天舟八号货运飞船承载着人类对太空探索的无限梦想，奔赴天宫。仅仅三小时后，天舟与天宫完美对接，这如同“小时达”的极速服务一样迅速准确。在次日清晨，神舟十九号航天员们开始执行一项特别的使命——打开天舟八号舱门，迎接一场太空中的盛大“拆快递”活动。其中最为引人瞩目的包裹之一是一份神秘大礼包——月壤砖。这份珍贵的礼物来自华中科技大学的国家数字建造技术创新中心。

丁烈云博士及其团队为此付出了巨大的努力。他们精心研制了几套方案，其中一套特别引人注目，被选中天舟八号搭载的三块月壤砖正是其中的精华。这些月壤砖不仅是未来月球建筑的可能建材，更是人类对太空科技发展的探索与尝试。此次月壤砖被送往空间站，是为了进行舱外暴露实验，为未来月球建设积累宝贵的科研数据。

丁烈云作为中国工程院院士，对月壤砖的研制倾注了大量心血。他解释道，月壤砖的强度受两个主要因素影响：矿物成分和烧结工艺。此次送往空间站的月壤砖采用了五种不同的模拟月壤成分和三种不同的烧结工艺制作而成，每种组合都有其独特之处。还附带了一份详细的舱外暴露实验操作指南。

实验部分将在问天舱外进行，面临宇宙射线的考验、高低温交替的热振挑战等恶劣环境。丁烈云透露了他们的实验计划：三块板将分别经受一年、两年和三年的考验，之后将其与地面样品进行比较，进行性能测试。这是一项长期而耐心的科学研究，正如丁烈云所说，土木工程是百年大计，每一步都要稳扎稳打。

月球作为人类唯一抵达过的地外天体，一直是科学家们研究的重要对象。此次月壤砖的实验，不仅是对月球的探索，更是对人类科技与智慧的挑战。让我们期待这些勇敢的航天员和科学家们带回更多的惊喜和发现。国际上各大航天强国纷纷提出中长期月球驻留设想，掀起新一轮探月热潮。在华中科技大学的国家数字建造技术创新中心内，有一个沙盘模拟了未来月球基地的蓝图。其中，“月壶尊”作为月面基地的标志性建筑，外形酷似竖立的鸡蛋壳，内部空间分为工作区和休息区两层。

丁烈云团队独具匠心，提出了月球玄武基地的构想。他们将中国传统制砖砌筑的建造方式与先进的3D打印技术相结合，采用预制拼装和局部打印的方式，为月面基地的建造注入了新的活力。这一切的灵感，源于2015年丁烈云对3D打印技术在建筑领域应用的深入研究。

当时，丁烈云正担任华中科技大学的校长，对高校的科技引领作用有着深刻的思考。他认为，高校不仅要关注当下，更要放眼未来，致力于引领未来的科技发展。丁烈云并未将月球基地的设想仅停留在纸面上，他决定带领团队付诸实践。他们参考了美国阿波罗计划获得的月球资料，包括月球表面结构、月面物质的化学成分以及光学、热力学物理特性等。

面对繁杂的文献资料，丁烈云强调，搜集分析资料得出准确结论的重要性。他提到，即使是月球上的月壤，也不会有两个完全一样的地质结构，因为它们在不断地变化。他们更需要找出月壤的主要成分。

研究指出，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。不同区域的月壤成分存在差异，如月海地区主要是玄武质高钛和低钛月壤，而月球高地地区则是斜长岩质月壤。地球上，长白山的火山灰与月壤成分较为接近。

那么，如何应用这些资料呢？丁烈云和他的团队正致力于深入研究，以便为未来月球基地的建设提供有力的科学支持。他们的目标不仅仅是模拟月球环境，更是为未来人类登陆月球、建立持久驻留点铺平道路。丁烈云：我们的首要任务是模拟月壤的制作。这一过程需要依据公开发表的文献，对原材料进行清洗和烘干，去除水分和有机质，模拟出真实的月球环境。经过精细的碾磨后，我们会分析成分，然后根据需要添加缺失的元素，最终得到配制的模拟月壤。

接下来，我们面临的是如何将模拟月壤塑造成型的挑战。丁烈云团队追求原位建造，不断探索新的成型方法。

丁烈云解释道：“月壤成型目前有几种方法，比如通过碱激发或添加硫黄来凝固月壤，然后进行3D打印。但我们要强调的是，真正的原位建造是不带任何外部物资，完全利用月球上的资源。因为如果你带烧碱或硫黄到月球上，那就不是原位建造了。”

丁烈云团队在月面建筑的设计上进行了多种尝试，包括穹顶结构、拱形结构和柱状结构等。他们必须确保这些设计既适应月球表面的环境，又方便建造。

以“月壶尊”为例，这是一个双层的穹顶结构，涉及12个设计参数，需要满足空间最大、应力最低、保温隔热的要求，同时自身重量要轻，材料消耗要少。而对于3D打印机来说，也必须满足一定的要求。

丁烈云团队设想使用3D打印施工，先在月表通过注浆加固法打地基，然后在地基上打印结构，再使用气囊放置法固定穹顶，最后在气囊上完成穹顶打印。这个工艺可以建造各种形状的月球基地结构。3D打印是一个连续的过程，面临着大尺寸结构一次性成型困难、耗能大等问题，需要我们不断研究解决。

火箭的运载能力目前还不能承载过重的设备，因此丁烈云团队还在验证月壤的挤压成型技术。他们需要找到一种合适的流动性，既能保证月壤的粘性，又能保证其稳定性。这一切都需要我们进行深入研究。在探索太空建筑的新纪元中，丁烈云团队深受中国传统建筑智慧的启发，他们巧妙地运用月壤，借鉴古老的砌筑和榫卯连接方式，提出了一个前所未有的构想：利用月壤烧结出具有榫卯结构的月壤砖，然后进行拼装建造。这种创新的建造方式不仅分散了一次性成型的风险，还通过机器人的精准砌筑和3D打印技术的加强连接，确保了结构的稳固性，有效避免了变形问题。

这一项目的背后，是科技部的重点研发计划——“轻量化可重构月面建造方法研究”，该项目已成为“工程科学与综合交叉”领域的重点专项，由华中科技大学牵头。月面原位建造面临诸多挑战，包括材料单一、无水环境、低重力，以及极端的温差和宇宙射线的辐射等。这些都使得月球建造成为一项超级工程。

在接受记者采访时，丁烈云明确指出，他们的实验首先是建立在地球环境之上的。他们会在地球上先行尝试，等这一流程成熟后，再面对各种极端条件。实验室里虽然可以模拟真空和高低温环境，但低重力环境却是最大的难题。月球的重力只有地球的六分之一，这种差异对建造过程的影响是巨大的。

为了确保月壤砖的强度，丁烈云团队需要确定最佳的烧制温度段。无论地球上的实验多么完美，始终无法真正模拟月球的环境。丁烈云意识到，为了真正理解这一过程，必须在月球上实地烧制月壤砖，观察其强度和成型机理。

模拟月球真空环境的过程中，科研人员将装有月壤粉末的石墨模具放入真空热压炉内进行烧制。每一炉模拟月壤砖的烧制都需要经过大约24小时的时间。虽然单次烧制时间不长，但热循环实验的时间却相当漫长。

那么，什么是热循环呢？热循环实验是科研人员为了了解材料在不同温度环境下的性能表现而进行的一系列温度升降测试。对于月球建造来说，了解材料在极端温度环境下的热循环性能至关重要，因为这直接关系到月壤砖在月球昼夜温差高达300摄氏度的环境下的耐用性和稳定性。通过热循环实验，科研人员可以获取宝贵的数据，进一步优化烧结工艺，确保月壤砖在月球上的强度和使用寿命。丁烈云：月球的一天，相当于地球上的一个月。我们的任务是把精心制作的砖块置于极高的温度下烧制，随后再放入低温环境中，如此循环往复，经历无数次的冷热交替，观察其性能变化——这一过程耗时漫长。

记者：我们都生活在地球这个温馨的家园，春夏秋冬、湿度变化，大家都心知肚明。月球却是一个全新的世界，它的气候、环境等条件人类知之甚少，更别提在上面建造房屋了。那么，我们该如何将这些未知转化为已知呢？

丁烈云：这需要我们借助人类的研究成果，进行学术研究并分享成果。在嫦娥五号带回月壤之前，我们主要依赖阿波罗计划的公开成果来模拟月壤的特性。嫦娥五号成功带回月壤样品后，我们得以更深入地研究其成分。我们不必从零开始，而是在前人研究的基础上，迈出更大的一步，去做真正有意义的事情。

目前，丁烈云团队已成功完成三种模拟月壤的烧结试验：真空烧结、惰性气体烧结和空气烧结。其中，在惰性气体环境下的烧结强度最高，达到惊人的100多兆帕。在真空环境下，只需将模拟月壤加热至1000℃至1100℃之间，即可实现有效烧结。如果施加压力，烧结时间甚至可以进一步缩短。月壤砖的合理强度必须根据月球独特的环境来定制。

自2020年嫦娥五号成功带回月壤样品以来，这是人类首次获取年轻火山岩区的月壤样品，也是中国科学家首次拥有属于自己的地外天体返回样品。丁烈云团队在得到这500毫克宝贵样品时倍感珍惜与兴奋。这是他们近十年来的月面建造方法研究终于有了实质性的进展。

国家数字建造技术创新中心围绕地外建造开展了三项重要研究工作：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精英人才，他们的努力为人类在月球上的建造事业奠定了坚实的基础。

在丁烈云的实验室里，地球与月球的研究并行不悖。学生们的研究方向广泛，涉及城市交通、地下管道、建筑机器人等多个领域。与此丁烈云作为大学校长，除了数字建造、工程安全理论研究外，更关注培养未来能够面对挑战、勇于探索的高素质、综合性人才。例如，华中科技大学土木与水利学院的硕士研究生柯美翔所研发的第三代智能化钢筋绑扎机器人就是他们团队的一大突破。这一系列的成果为人类在月球上的建造事业注入了新的活力与希望。记者问：“如果没有它，这项重复性的工作是否只能依靠人工来完成？”柯美翔回应道：“是的，确实如此。这项工作的劳动强度很高，需要工人反复弯腰劳动。出于这个原因，我们团队决定研发这款机器人来替代人工进行绑扎工作。”

自阿波罗11号成功登月以来，人类对月球的探索从未停止。随着航天科技的飞速发展，我们对月球的认知逐渐加深，探索的脚步也日益加快。此次模拟月壤砖搭乘天舟八号进入太空实验室的任务，旨在为未来的月球基地建设提供宝贵的数据支持。

目前，各国已经设计出多种月面建造结构方案，包括刚性结构、可展开结构、充气结构、3D打印结构、砌筑拼装结构以及地下结构等。丁烈云团队的实验正是建立在这一基础上，致力于研发更先进的月球探测技术。他们的实验，就像是在浩瀚星空中脚踏实地的一步，为人类深空探测的长远发展打下坚实的基础。丁烈云表示：“我们在月球上的这些试验，不仅是为了验证现有的技术，更是为了探索更远的未来。”