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月球上“搭乐高”,网友:“搬砖”搬到月球了!

2024-10-23   广州日报   阅读量:260

#中国将在月球上利用榫卯工艺的月壤砖盖房#

  这句话的信息量有多大:月壤砖、榫卯工艺、中国在月球盖房。

    中国神话里位于月亮上的宫殿——广寒宫,即将在现实中打造?!

    据央视新闻10月19日消息 ,月壤砖,未来可能用于月球盖房子的建筑材料,将搭乘“天舟八号”货运飞船前往中国空间站,开展为期3年的暴露试验。太空试验完成后,第一块“月壤砖”预计将在2025年年底返回地球。

    1  揭秘“月壤砖”

    已知的日常建筑用砖一般有红砖、青砖、混凝土砖,这“月壤砖”又是什么新奇玩意?

    国家数字建造技术创新中心、华中科技大学教授周诚 介绍:

    月壤砖,是通过模仿真实月壤的成分烧结形成。

    月壤砖拿起来密度与普通砖块相当,但抗压强度是普通红砖、混凝土砖的三倍以上,相当于1平方厘米的面积上能承受1吨多的重量。

    另外,月壤砖呈榫卯结构,有利于在未来的月球基地建造过程中,采用榫卯的结构形式进行拼装建造。

    月壤砖的研制地,在华中科技大学国家数字建造技术创新中心,由中国工程院院士、华中科技大学教授丁烈云,带领其团队在此研制而成。

图源:“华中科技大学”微信公众号

    早在2019年3月,周诚教授作为第一作者,丁烈云院士为通讯作者,发表了SCI论文《月球基地原位建造方法:中国超级泥瓦匠(In-situ construction method for lunar habitation: Chinese Super Mason)》,大胆提出了在月球建造“玄武基地”的构想

“玄武基地”模拟图(图源:“华中科技大学”微信公众号)

    这个梦幻般的想法,至今还只能出现在科幻电影里,毕竟现实中的“月球造房”需要面对极大的挑战

  ? 月球的真空环境,散热规律不同于地球环境;

    ? 重力是地球的1/6,小重力会改变材料与结构的受力状态;

    ? 温度的剧烈变化,月昼和月夜温差大概为300℃,大温差对房子的结构性能有很大影响;

    ? 长时间、高频率的“月震”,月球上每年约发生1000次2-3级的月震;

    ? 月球无大气保护,大量宇宙辐射和微陨石会撞击到月球表面;

    ? 月面复杂的形貌和地质;

    ? 太空运输的高昂成本,将一瓶矿泉水重量的材料运送至月球,要花费20万美元。

    ……还有等等未知的挑战。

    而月壤砖的诞生,是人类将得以实现“在月亮上盖房子”的进程中迈出的一大步。

2022年6月14日的“超级月亮”(图源:新华社)

    月壤砖如何炼成?采用真空热压烧结的方式形成。

    步骤一:称重模拟月壤,按照重量放入模具中;

    步骤二:施加压力。由于月壤非常松散,需在模具的容器里进行压制,经均匀地施压后形成有效的坯体;

    步骤三:高温烧制。将压制成型的、带有模拟月壤的模具放到真空热压炉中,将其升温烧结。电磁感应烧结炉可以将温度加热至1000℃以上,10分钟左右,一个长18厘米的模拟月壤砖就烧制完成。

    整个过程中没有任何其他材料添加物,是100%原位成型工艺方法,也就意味着,将来我们建造月球科研站,可以在月球上就地取材,直接利用月壤、太阳能、矿产等月面原位资源来盖房子,不需要再从地球上运输预制建筑构件,极大降低月面建造的成本

    接下来,需测试模拟“月壤砖是否能胜任月球造房的任务,将在太空中验证其三大关键性能

    ? 力学性能,该性能与建房子的关系最大,需测试样品的力学性能在太空中会不会退化。

    ? 热学性能,即保温和隔热性能。

    ? 抗辐射性能,因月球是真空环境,有大量的太空辐射。

模拟月壤及烧结月球砖(图源:“华中科技大学”微信公众号)

    另外,为了充分利用上太空实测的珍贵机会,研究团队还将带到中国空间站的“月壤砖”设计为柱状和片状两种形态

    柱状月壤砖:主要用于力学测试;

    片状月壤砖:暴露面积较大,用于热学和辐射效应测试。

    同时,除了形态不同,这些“月壤砖”样品还使用了5种不同的模拟月壤成分、3种不同的烧结工艺,为后续月球基地的建设可以提供更准确的科研数据。

    2  榫卯,实现月球上搭“乐高”

    月壤砖另一不得不提的亮点,便是其所运用的榫卯工艺。

    榫卯(sǔn mǎo) ,原称“枘凿(ruì záo)”,是中国传统木作的一种接合方式,广泛应用于各类木制建筑、家具中。

    榫卯结构中,榫是指凸的部分,也称榫头。卯是指凹的部分,又称椎眼、椎槽。最基本的榫卯,就是将榫插入卯中,实现构件的相连。

抱肩榫(图源:中国数字科技馆)

燕尾榫(图源:中国数字科技馆)

夹头榫(图源:中国数字科技馆)

    北京大学考古文博学院教授徐怡涛称,通过榫卯,各种独立又松散的木头构件得以结合成具有荷载能力的完整结构体

    榫卯这一接合方式,在我国已有上千年的应用和发展历史。距今7000年前的河姆渡文明时期,榫卯结构就出现在干栏式木构建筑上,也存在于器把、小棒等木制工具中。

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    梁头榫 :新石器时代·河姆渡文化(距今7000—5000年),河姆渡遗址出土,余姚市河姆渡遗址博物馆藏(图源:“国博君”微信公众号)

    榫头带卯眼木构件: 新石器时代·河姆渡文化(距今7000—5000年),田螺山遗址出土,浙江省文物考古研究所藏(图源:“国博君”微信公众号)

    辽代的应县木塔,是中国建筑领域中榫卯结构应用的典型案例。建于公元1056年的应县木塔,是世界上现存最高大、最古老纯木结构楼阁式建筑。全塔主体由数万个木构件互相卯榫咬合而成。900多年来,应县木塔历经多次地震却始终屹立不倒。

应县木塔(图源:@应县木塔景区)

    徐怡涛解释道:

    榫卯的各个节点间是可以活动的,上千个节点的震动能消除掉一部分地震波能量。这种松紧适度的柔性连接具有一定程度的自我恢复能力,因此,尽管木构架会因为大幅度摇晃而产生一定变形,但当地震波消失后,整个构架仍能恢复原状。

    华中科技大学团队从中得到启发,烧出带有榫卯结构的月壤砖,“像搭建积木一样”在月球上建房子。而在月球上“玩积木”将是他们命名为“中国超级泥瓦匠”的机器人,用于月球表面原位资源进行3D打印的机器人则被命名为“月蜘蛛”

    值得一提的是,这不是榫卯工艺首次运用在中国航天领域中。

    2018年,中国运载火箭技术研究院研发中心自主研制的“一种适用于再入飞行器的榫卯式翼舵结构”获国家发明专利。

榫卯式翼舵结构的组装流程(图源:中国运载火箭技术研究院官网)

    榫卯,是中国传统木作技术之魂。月壤砖的出现,是中国古代建筑的匠人智慧与中国现代科技的完美结合。

    3  何时能在月球上盖房?

    在月亮上盖房,具有什么意义?

    自1969年阿波罗11号登月至今,人类对月球的了解还只是冰山一角。而月球上拥有的水冰储量和氦-3储量,是可能造福地球的动力资源。并且,月球作为人类未来太空探索的跳板,有着战略意义,可以成为火箭的加油站和中转站,降低深空探索的难度和成本。

    所以,探索月球背面对人类了解月球结构、地质特征以及宇宙起源具有重要意义。月球基地建成之时就是标志着人类从“地球文明”迈向“宇宙文明”的关键之日。

月球基地想象图(图源:科技日报)

    那么, 何时能实现在月球上盖房?

    去年3月,首届地外建造学术探讨会在武汉召开,专家学者们普遍认为,“月球造房”未必能在一代科学家身上实现,需要经历科学家群体不断上下求索。但是,以跨学科交流推动各相关领域科学家凝聚共识、共同解决难题、应对各种挑战是必须要做的工作。

2021年11月19日,在北京故宫午门拍摄的中国空间站过境照片。(图源:新华社)

    嫦娥奔月成仙,居住在月宫——月亮上的广寒宫中,这是一则在中国流传千年的浪漫神话。

    今年6月25日,嫦娥六号带着来自月球珍贵的“礼物”返回地球,完成了世界首次月球背面采样和起飞,更新了中国探月工程的任务书。

    当“嫦娥”一次次向月亮奔赴,相信广寒宫也终究有一日会成功打造出来,将中华民族对月亮憧憬的千年梦想转化为现实。

    广州日报媒重点实验室出品
    统筹/徐梅花
    文字整理:苏琬茜

    参考来源:央视新闻、中国科学报、“华中科技大学”微信公众号、科技日报、光明日报、科普中国
    广州日报新花城编辑:苏琬茜

丁烈云
中国工程院院士
土木、水利与建筑工程管理专家