這意味著月球上的建筑結(jié)構(gòu)必須利用當(dāng)?shù)刭Y源制造，這一過(guò)程被稱(chēng)為“就地資源利用”（ISRU）。在月球上，這一過(guò)程利用增材制造（AM）或3D打印技術(shù)的進(jìn)步，將月球風(fēng)化層轉(zhuǎn)化為建筑材料。然而，由于技術(shù)問(wèn)題，大多數(shù)3D打印技術(shù)在月球表面無(wú)法應(yīng)用。

在最近的一項(xiàng)研究中，由阿肯色大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組提出了一種替代方法，即利用基于光的燒結(jié)技術(shù)制造月球磚，而不是打印整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)。

之前我們也說(shuō)過(guò)月球的基地建設(shè)的方案，今天我們看下通過(guò)在月球上“就地資源利用”（ISRU）。

未來(lái)月球基地的愿景：利用3D打印技術(shù)建造和維護(hù)。

作為阿爾忒彌斯三號(hào)任務(wù)的一部分，NASA計(jì)劃到2028年將“第一位女性和第一位有色人種”送上月球。

這將是自1972年阿波羅宇航員最后一次登陸月球以來(lái)，人類(lèi)首次踏上月球表面。NASA希望與國(guó)際和商業(yè)合作伙伴攜手，通過(guò)阿爾忒彌斯計(jì)劃實(shí)現(xiàn)“持續(xù)的月球探索和發(fā)展計(jì)劃”，其中可能包括在月球上建立長(zhǎng)期設(shè)施和棲息地。考慮到發(fā)射重型有效載荷的成本，將所有所需設(shè)備和材料送上月球并不現(xiàn)實(shí)。

-就地資源利用-

這意味著月球上的建筑結(jié)構(gòu)必須利用當(dāng)?shù)刭Y源制造，這一過(guò)程被稱(chēng)為“就地資源利用”（ISRU）。在月球上，這一過(guò)程利用增材制造（AM）或3D打印技術(shù)的進(jìn)步，將月球風(fēng)化層轉(zhuǎn)化為建筑材料。

然而，由于技術(shù)問(wèn)題，大多數(shù)3D打印技術(shù)在月球表面無(wú)法應(yīng)用。在最近的一項(xiàng)研究中，由阿肯色大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組提出了一種替代方法，即利用基于光的燒結(jié)技術(shù)制造月球磚，而不是打印整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)。

該研究團(tuán)隊(duì)由阿肯色大學(xué)機(jī)械工程系助理教授萬(wàn)壽（Wan Shou）領(lǐng)導(dǎo)。團(tuán)隊(duì)成員包括科爾·麥卡勒姆（Cole McCallum）、梁有文（Youwen Liang）以及該大學(xué)工程學(xué)院榮譽(yù)學(xué)院研究員、研究助理兼博士生納希德·圖沙爾（Nahid Tushar）。團(tuán)隊(duì)成員還包括來(lái)自休斯頓大學(xué)機(jī)械與航空航天工程系和坦佩雷大學(xué)工程與自然科學(xué)學(xué)院的研究人員。

月球棲息地概念圖，由建筑公司 Foster + Partners 設(shè)計(jì)

自阿波羅時(shí)代以來(lái)，在月球上建立永久（或半永久）基地一直是研究和提案的主題。

這些計(jì)劃一直受到一個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)的制約：所需的機(jī)械和建筑材料需要許多重型運(yùn)載火箭才能運(yùn)送，成本高昂。雖然在過(guò)去十年中，由于商業(yè)航天領(lǐng)域可重復(fù)使用火箭的研發(fā)，有效載荷的發(fā)射成本已大幅下降，但發(fā)射宇航員建造月球設(shè)施所需的所有設(shè)備的成本仍然高得令人望而卻步。

因此，只有ISRU技術(shù)才能在月球上建造基地。遺憾的是，大多數(shù)提出的3D打印結(jié)構(gòu)方法在月球環(huán)境下并不實(shí)用，因?yàn)樵虑蛑亓γ黠@較低（僅為地球重力的16.5%），且溫度極端。在月球南極-艾特肯盆地，陰影區(qū)，那里極有可能有“水冰”存在，這為科學(xué)家們?cè)谠虑蛏险宜踔两⒃虑蚧貛?lái)了希望。月球背面的晝夜溫差也很大，白天溫度約零上180攝氏度，夜間零下150攝氏度，晝夜溫差約330攝氏度。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)AM方法需要向月球發(fā)射額外的補(bǔ)給，包括溶劑、聚合物或其他粘合劑。

例如，歐洲航天局 (ESA) 與建筑公司Foster + Partners合作，創(chuàng)建了3D 打印的月球基地概念。正如壽教授所解釋的那樣：

目許多增材制造方法需要使用溶劑來(lái)制備用于擠出或打印的糊狀物或復(fù)合材料。

這些方法并不可行，因?yàn)檫\(yùn)輸溶劑的成本可能非常高，而且溶劑的蒸發(fā)可能會(huì)引發(fā)許多潛在問(wèn)題。一些方法使用粘合劑或聚合物來(lái)實(shí)現(xiàn)增材制造。

它們也存在類(lèi)似的問(wèn)題——運(yùn)輸額外的材料、處理廢料。此外，運(yùn)行這些機(jī)器（例如打印機(jī)）需要能源供應(yīng)。

燒結(jié)技術(shù)也已被探索作為在月球上3D打印結(jié)構(gòu)的一種潛在方法。這包括使用各種能源，例如微波和激光，這些能源可以熔化或部分熔化月壤。然后，該結(jié)構(gòu)被逐層打印出來(lái)，一旦暴露在空氣或月球環(huán)境的真空中，就會(huì)冷卻并硬化。然而，這些方法仍然需要復(fù)雜的系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生能量。

“因此，我們的團(tuán)隊(duì)設(shè)想了一種只需要月球材料來(lái)建造結(jié)構(gòu)本身的系統(tǒng)，從而消除了從地球進(jìn)行粘合劑補(bǔ)給任務(wù)的瓶頸，”描述他們研究成果的論文的第一作者科爾補(bǔ)充道。

他們提出并推薦的方法被稱(chēng)為光基燒結(jié)，它依靠一組光學(xué)裝置聚集的陽(yáng)光將月球風(fēng)化層直接燒結(jié)成結(jié)構(gòu)。研究人員已經(jīng)在地球上使用月球風(fēng)化層模擬物制造玻璃和鏡子，測(cè)試了這項(xiàng)技術(shù)。在月球上，太陽(yáng)能在陽(yáng)光照射的區(qū)域始終存在且豐富，這使得它比需要運(yùn)輸?shù)碾娫纯煽康枚唷Ｔ撓到y(tǒng)的簡(jiǎn)單性使其非常適合在一旦發(fā)生故障難以維修的惡劣環(huán)境中使用。

然而，實(shí)驗(yàn)表明，該技術(shù)在制造大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)仍然存在問(wèn)題。為此，蘇的團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)而專(zhuān)注于制造建筑構(gòu)件。科爾說(shuō)：

雖然大多數(shù)關(guān)于該主題的研究仍然依賴(lài)于粘合劑和月球土壤的混合物，但月壤中的二氧化硅含量很高，在足夠高的溫度下，它可以在燒結(jié)時(shí)自行粘合。我們?cè)趪L試用這種方法制造更大的結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)，其均勻性較差，因此制造出的部件精度也較低。
由此，我們確定該方法的最佳應(yīng)用場(chǎng)景是專(zhuān)注于制造大量可互鎖且可重構(gòu)的積木，用于大型結(jié)構(gòu)。我們相信這種“樂(lè)高積木”方法的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，由于制造每個(gè)單元所需的整體空間要小得多，設(shè)備能夠適應(yīng)月球任務(wù)的體積限制。

他們的工作建立在現(xiàn)有的燒結(jié)技術(shù)研究基礎(chǔ)之上，該技術(shù)利用不同的能源熔化月球風(fēng)化層并制造建筑材料。

其中包括美國(guó)宇航局與太空建筑公司SINTERHAB的合作，后者提議為該機(jī)構(gòu)的全地形六肢地外探測(cè)器（ATHLETE）配備微波燒結(jié)技術(shù)，以建造一個(gè)3D打印的月球棲息地。

然而，科爾表示，他們的概念尤其吸引人，因?yàn)樗軌蛏a(chǎn)可重構(gòu)磚塊。

我們的磚塊組件的可重構(gòu)性尤其令人興奮，因?yàn)樗刮覀兡軌蛟诮ㄔ爝^(guò)程中實(shí)現(xiàn)極大的靈活性。由于不同部件對(duì)材料的要求不同，我們可以根據(jù)所面臨的問(wèn)題采用各種各樣的技術(shù)。對(duì)于需要大量材料且精度要求不高的結(jié)構(gòu)，例如輻射屏蔽，我們認(rèn)為我們的方法前景廣闊。

然而，在這一概念得以實(shí)現(xiàn)之前，仍有許多工作要做。正如Shou所指出的，需要進(jìn)行更多研究來(lái)優(yōu)化燒結(jié)參數(shù)和材料特性。

該團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃建造一個(gè)原型并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，希望以此改進(jìn)和擴(kuò)展這項(xiàng)技術(shù)，使其能夠在月球上使用。他們還需要考慮最終的3D打印機(jī)如何在月球表面自行移動(dòng)、它將依賴(lài)哪些電源選項(xiàng)以及其他一些因素。

那么你是否還有其他辦法到月球基建！？