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中国科学家的深邃思考：如何在月亮上盖房子
原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/4/498232.shtm
首届地外建造学术研讨会会场。李思辉摄
丁烈云院士作报告。李思辉摄
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周建平院士作报告。李思辉摄
于登云院士作报告。李思辉摄
“在月球上盖房子，真的遥不可及吗？或许在不久的未来，会有一群‘中国超级泥瓦匠’为人类在月球建起科研站。”4月8日，首届地外建造学术研讨会在位于武汉的华中科技大学举行。中国工程院院士、中国载人航天工程总设计师周建平等众多专家学者围绕“如何在月亮上盖房子”展开热烈讨论。
“像搭‘乐高"一样在月球上搭房子”
深邃的太空引发人类无穷向往，作为人类唯一抵达过的地外天体，月球一直是科学家研究的重要对象。虽然此前国际上也有少量关于月面建造的论文，但从公开的报道看，目前这一研究还很前沿，专门以“地外建造”为主题的大规模学术会议在世界范围内并不多见。中国科学家何以率先发起这样的研讨会？
首届地外建造学术研讨会发起人、中国工程院院士、国家数字建造技术创新中心首席科学家丁烈云在接受《中国科学报》专访时表示，地外建造现在似乎有点遥不可及，但它是人类科学技术进步的探索需要、航天强国的战略需要。发起并举办“首届地外建造学术研讨会”这方面的学术会议，目的就是以跨学科的交叉创新交流，形成推进地外建造的共识和思路。
据悉，2015年，专注于智能建造研究的丁烈云院士从建筑3D打印中得到启发，开始带领团队从事月面基地建造研究。目前，国外建造月面基地的技术思路是高能束3D打印，存在大尺寸结构一次性成型困难、耗能大等问题。华中科大团队借鉴中国传统砌筑和榫卯连接方式，将中国传统制砖砌筑的建造方法与3D打印建造方法相结合，利用月壤烧出带有榫卯结构的月壤砖，再用机器人砌筑，“像搭乐高一样”在月球上搭房子，不仅可以搭建出较大尺寸的月面建筑结构，而且能耗和代价更低。
丁烈云介绍，和传统建造不一样，地外建造需要面对复杂得多的问题和挑战。以月球为例，在月球上实施建造，首先必须克服极端环境的考验。比如月球处于超高真空环境，并且存在三四百摄氏度的大温变，传统的土木建造方式几乎无法实施、结构稳定性也无法保证。
其次，“运输一瓶矿泉水重量的材料去月球要花费20万美元”的高昂成本，意味着建造所必须的钢筋、混凝土、水等材料不可能都从地球上“外带”，只能尽可能利用月球上的天然月壤材料进行原位建造。
再者，每年约1000次2-3级的月震，宇宙射线的强辐射、太阳风、微陨石冲击、月面复杂形貌与地质等等，都让月面原位建造成为极端复杂且涉及多学科交叉的超级工程。
“‘从0到1’未必立竿见影，但往往意义不凡”
“我们如何在极端严酷的月球环境和既有地月关系条件下，充分利用月球原位资源，结合地面成熟的建造技术，创新构建月球人机协同建造体系，实现月面建造智能化实施？”中国科学院院士，中国探月工程四期总设计师于登云从月面建造“是什么”“为什么”“做什么”三个方面，提出对未来月面建造的思考。
他在接受《中国科学报》采访时表示，我国的探月工程目前主要是无人探测，从2003年开始起步，分为三步走，第一步是绕月探测，第二步是着陆巡视探测，第三步是无人采样返回。这三步，中国在2020年以前就如期实现了。但这远远不能满足人类对月球科学认知和资源利用的需求，因此我们还将持续开展更深层次的探测活动。于是就有了现在的探月四期工程。探月四期工程的主要目标是在月球南极建立一个科研站的基本型，开展对月球科学的深化研究和月球资源就位利用技术试验。
他介绍，目前，探月四期工程正在稳步推进中。嫦娥六号拟于2025年前后发射，并在月球背面软着陆，开展着陆区的现场调查分析与月背首次无人采样返回任务，将获取世界首份月球背面月壤样品。嫦娥七号将于2026年前后发射，包括月球轨道器、着陆器、巡视器及飞跃器等，着陆区选址在月球南纬85°以上的南极-艾特肯盆地区域，拟实现对极区永久阴影坑水冰原位证认等科学目标。嫦娥八号拟于2028年前后发射，拟开展月球资源原位利用及关键技术先导验证，可与嫦娥七号组成我国月球南极的科研站基本型。
于登云表示，在月面进行建筑建造，是长期探月的需要，将来肯定能够实现，但仅就目前的研究基础看，短期内可能还比较困难。真正实现“在月亮上盖房子”的目标，也许还需要20年、30年，甚至更长时间。这项研究可能无法立竿见影，但在这个阶段，开展跨学科交流、探讨、合作，非常必要。
他进一步分析认为，人类对未知领域的科学探索往往是一个“从0到1”的过程，大胆假设、小心求证、不断探索、不断积累、灵机一动，往往是突破重大科学难题需要经历的过程。从长远看，在月球表面开展建筑建造研究，早晚都是要做的。尽早着手这项研究工作，更好地认识它的关键问题、核心困难所在，不断激发科学研究人员、青年学生的研究兴趣，不断积累经验和技术非常必要，意义不凡。
“‘一本正经’地探讨遥远问题也是一种科学态度”
《中国科学报》记者从研讨会上获悉，目前丁烈云院士团队已制备出国内首个模拟月壤真空烧结打印样品，实现“从0到1”的突破。
将月面建筑命名为“月壶尊”，将完成砌筑拼装建造工作的机器人命名为“中国超级泥瓦匠”，将用于月球表面原位资源3D打印的机器人命名为“月蜘蛛”……“为关键技术起一个个可爱的、富有中国特色的名字，意在为人类和平利用太空、推动建构人类命运共同体贡献更多中国智慧、中国方案、中国力量。”丁烈云说。
不过，丁烈云也坦言，目前该团队的研究还处于模拟环境下的实验阶段，而且因为月球的重力只有地球的六分之一，实验模拟非常困难，还需要掌握更多模拟极端环境下的实验数据和结果，因此必须进一步深入开展研究。
于登云也告诉《中国科学报》记者，以往大家都知道月球昼夜温差很大，但对温差到底有多大缺乏精确数据。我国探测掌握的最新数据是，月球白天最高温度在120度左右，夜晚温度大概在零下200度左右，因此月昼和月夜温差大概在300度左右，超过此前的估计。如此之大的温差给月面建造带来了极大挑战。
何时能实现在月球上“盖房子”？与会院士专家普遍认为，那还需要经历一个科学家群体不断“上下求索”的过程，未必在一代科学家身上就能实现。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、应对各种挑战显然是必须要做的工作。
