在月球上蓋房子，真的遙不可及嗎？或許在不久的將來，會有一群“中國超級泥瓦匠”為人類在月球上建起科研站。
近日，首屆地外建造學(xué)術(shù)研討會在武漢舉行。眾多專家學(xué)者圍繞“如何在月亮上蓋房子”展開熱議。
像搭“樂高”一樣蓋房子
作為人類唯一抵達(dá)過的地外天體，月球一直是科學(xué)家研究的重要對象。雖然國際上發(fā)布過少量關(guān)于月面建造的論文，但從公開報道來看，目前這一研究還很前沿，而專門以“地外建造”為主題的大規(guī)模學(xué)術(shù)會議在世界范圍內(nèi)更不多見。中國科學(xué)家何以率先發(fā)起這樣的會議？
首屆地外建造學(xué)術(shù)研討會發(fā)起人、中國工程院院士、國家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心首席科學(xué)家丁烈云在接受《中國科學(xué)報》采訪時表示，地外建造似乎遙不可及，但它是人類科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的探索需要，也是航天強(qiáng)國的戰(zhàn)略需要。發(fā)起并舉辦“地外建造”類學(xué)術(shù)會議，目的就是推動跨學(xué)科交叉創(chuàng)新交流，形成推進(jìn)地外建造的共識和思路。
2015年，專注于智能建造研究的丁烈云從建筑3D打印中獲得啟發(fā)，開始帶領(lǐng)團(tuán)隊從事月面基地建造研究。目前，國外建造月面基地的技術(shù)思路是高能束3D打印，存在大尺寸結(jié)構(gòu)一次性成型困難、耗能大等問題。華中科技大學(xué)團(tuán)隊借鑒中國傳統(tǒng)砌筑和榫卯連接方式，將中國傳統(tǒng)制磚砌筑的建造方法與3D打印建造方法相結(jié)合，利用月壤燒出帶有榫卯結(jié)構(gòu)的月壤磚，再用機(jī)器人砌筑，像搭“樂高”一樣在月球上蓋房子。這種方式不僅可以搭建出較大尺寸的月面建筑結(jié)構(gòu)，而且能耗和造價更低。
丁烈云介紹，相比于傳統(tǒng)建造，地外建造面對的問題和挑戰(zhàn)尤為復(fù)雜。在月球上實施建造，首先必須克服極端環(huán)境的考驗。其次，月球擁有超高真空環(huán)境，并且存在三四百攝氏度的大溫變，傳統(tǒng)土木建造方式幾乎無法實施，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也無法保證。
“將一瓶礦泉水重量的材料運(yùn)送至月球，要花費(fèi)20萬美元?！倍×以票硎?，高昂的成本也意味著，地外建造所必需的鋼筋、混凝土、水等材料不可能都從地球上“外帶”，只有盡可能利用月球上的天然月壤材料進(jìn)行原位建造。
另外，月球上每年約發(fā)生1000次2~3級的月震，加上宇宙射線的強(qiáng)輻射、太陽風(fēng)、微隕石沖擊以及月面復(fù)雜形貌與地質(zhì)等，使月面原位建造成為極端復(fù)雜且涉及多學(xué)科交叉的超級工程。
一個“從0到1”的過程
“我們?nèi)绾卧跇O端嚴(yán)酷的月球環(huán)境和既有地月關(guān)系條件下，充分利用月球原位資源，結(jié)合地面成熟的建造技術(shù)，創(chuàng)新構(gòu)建月球人機(jī)協(xié)同建造體系，實現(xiàn)月面建造智能化實施？”中國科學(xué)院院士、中國探月工程四期總設(shè)計師于登云從月面建造“是什么”“為什么”“做什么”三方面，對未來月面建造作了思考。
他在接受《中國科學(xué)報》采訪時表示，我國的探月工程目前主要是無人探測，從2003年起步，分三步走——第一步是繞月探測，第二步是著陸巡視探測，第三步是無人采樣返回。這三步，中國在2020年以前就如期實現(xiàn)了。但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人類對月球科學(xué)認(rèn)知和資源利用的需求，因此我們還將持續(xù)開展更深層次的探測活動，于是就有了現(xiàn)在的探月四期工程。探月四期工程的主要目標(biāo)是在月球南極建立一個科研站的基本型，開展對月球科學(xué)的深化研究和月球資源就位利用技術(shù)實驗。
于登云介紹，目前，探月四期工程正在穩(wěn)步推進(jìn)中。嫦娥六號擬于2025年前后發(fā)射，并在月球背面軟著陸，開展著陸區(qū)的現(xiàn)場調(diào)查分析與月背首次無人采樣返回任務(wù)，獲取世界首份月球背面月壤樣品。嫦娥七號將于2026年前后發(fā)射，包括月球軌道器、著陸器、巡視器及飛躍器等。此次發(fā)射著陸區(qū)選址在月球南緯85°以上的南極-艾特肯盆地區(qū)域，擬實現(xiàn)對極區(qū)永久陰影坑水冰原位證認(rèn)等科學(xué)目標(biāo)。嫦娥八號擬于2028年前后發(fā)射，開展月球資源原位利用及關(guān)鍵技術(shù)先導(dǎo)驗證，可與嫦娥七號組成我國月球南極的科研站基本型。
“在月面進(jìn)行建筑建造，是長期探月的需要，將來肯定能夠?qū)崿F(xiàn)，但僅就目前的研究基礎(chǔ)來看，短期內(nèi)實現(xiàn)還比較困難?！庇诘窃票硎?，真正實現(xiàn)“在月亮上蓋房子”的目標(biāo)，也許還需要20至30年，甚至更長時間。這項研究可能無法立竿見影，但目前開展跨學(xué)科交流、探討、合作非常必要。
他進(jìn)一步分析認(rèn)為，人類對未知領(lǐng)域的科學(xué)探索往往是一個“從0到1”的過程，大膽假設(shè)、小心求證，不斷探索、不斷積累、靈機(jī)一動，都是突破重大科學(xué)難題需要經(jīng)歷的。從長遠(yuǎn)看，盡早著手在月球表面開展建筑建造的研究工作，更好地認(rèn)清其關(guān)鍵問題、核心困難，不斷激發(fā)科研人員、青年學(xué)者的研究興趣，不斷積累經(jīng)驗和技術(shù)非常有必要，且意義非凡。
過程和結(jié)果同樣重要
《中國科學(xué)報》從研討會上獲悉，目前丁烈云團(tuán)隊已制備出國內(nèi)首個模擬月壤真空燒結(jié)打印樣品。
他將月面建筑命名為“月壺尊”，將完成砌筑拼裝建造工作的機(jī)器人命名為“中國超級泥瓦匠”，將用于月球表面原位資源3D打印的機(jī)器人命名為“月蜘蛛”……
“為關(guān)鍵技術(shù)起一個個可愛的、富有中國特色的名字，意在為人類和平利用太空、推動建構(gòu)人類命運(yùn)共同體貢獻(xiàn)更多中國智慧、中國方案、中國力量。”丁烈云說。
不過，他也坦言，目前該團(tuán)隊的研究還處于模擬環(huán)境下的實驗階段，而且因為月球的重力只有地球的六分之一，實驗?zāi)M非常困難，還需要掌握更多模擬極端環(huán)境下的實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果，因此必須進(jìn)一步深入開展研究。
于登云告訴《中國科學(xué)報》，以往大家都知道月球晝夜溫差很大，但對溫差到底有多大缺乏精確數(shù)據(jù)。我國探測掌握的最新數(shù)據(jù)是，月球白天最高溫度在120攝氏度左右、夜晚溫度大概在零下200攝氏度左右，因此月晝和月夜溫差大概為300攝氏度，超過此前的估計。如此大的溫差給月面建造帶來了極大挑戰(zhàn)。
何時能實現(xiàn)在月球上“蓋房子”？與會專家普遍認(rèn)為，這需要經(jīng)歷一個科學(xué)家群體不斷上下求索的過程，未必能在一代科學(xué)家身上實現(xiàn)。但是，以跨學(xué)科交流推動各相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)家凝聚共識、共同解決難題、應(yīng)對各種挑戰(zhàn)顯然是必須要做的工作。
“科學(xué)探索的過程和結(jié)果同樣重要，對于很多事關(guān)國家和人類生存發(fā)展的重大科學(xué)難題而言，潛心研究的過程有時甚至比最終結(jié)果還重要?！倍×以普f。
