面對面｜“基建狂魔”要用榫卯工藝在月球蓋房？專訪“中國超級泥瓦匠”
2024年11月15日23時13分，天舟八號貨運飛船奔赴天宮。約3小時后，天舟、天宮“牽手成功”，“小時達”被成功簽收。11月16日早上，神舟十九號航天員乘組在地面配合下，打開天舟八號艙門，開始太空“拆快遞”。此次上行的貨品中，有一份神秘大禮包，那就是月壤磚，來自位于華中科技大學(xué)的國家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心。
丁烈云：我們是做了幾套，其中有一套就放在這兒，天舟八號帶上去的就這三塊。
月壤磚，是未來可能用于月球蓋房子的建筑材料，此次“月壤磚”前往空間站開展艙外暴露實驗，為未來在月建設(shè)積累科研數(shù)據(jù)。丁烈云作為中國工程院院士、國家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心首席科學(xué)家，牽頭了月壤磚的研制。
丁烈云：月壤磚強度，有兩個因素的影響非常大，一個因素是礦物的成分。不同的礦物成分會影響它的強度，另外還有一種是它的燒結(jié)方式不一樣，燒結(jié)的工藝不一樣，比方說我們這采取三種燒結(jié)工藝。
送往空間站的月壤磚形態(tài)不同，分別采用了5種不同的模擬月壤成分和3種不同的燒結(jié)工藝制作而成。和月壤磚同時到達空間站的，還有一份艙外暴露實驗的操作指南。
丁烈云：在問天艙外面，要外掛在上面進行暴露實驗，通過宇宙射線。還有零下100攝氏度，零上100多攝氏度，高低溫的這種熱振，不斷地循環(huán)，看它今后的劣化是一個什么樣的情況。
記者：給它考驗多長時間？
丁烈云：我們一共是三塊板，有一塊板一年以后取下來，分析一下，第二塊板是兩年以后，最后一塊板是三年以后取下來，取下來以后，就跟地面的，我們做的同批樣品，進行性能的測試。
記者：那你們實驗可真夠長的，最短的還得一年之后呢。
丁烈云：科學(xué)研究就是這樣的。我們土木工程有個很大的特點，它是一個百年大計，我們做一棟房子，不是說我住一個幾年。特別在月球上去建，老化的這些機理一定要搞清楚。搞清楚了以后。你才能夠形成一份標(biāo)準(zhǔn)，建筑的標(biāo)準(zhǔn)，所以做研究不能著急，一步一步地做。
作為人類唯一抵達過的地外天體，月球一直是科學(xué)家研究的重要對象。國際上，各航天大國也紛紛提出月球中長期駐留設(shè)想，掀起了新一輪探月熱潮。在華中科技大學(xué)的國家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心，實驗室的一個沙盤，模擬了未來月球基地的場景。
“月壺尊”外形酷似豎立的雞蛋殼。內(nèi)部空間分成上下兩層，分別為工作區(qū)和休息區(qū)。
“月壺尊”是月面基地建筑物的定型樣式，丁烈云團隊還有另外一個大膽的構(gòu)想，那就是月球玄武基地，它是將中國傳統(tǒng)制磚砌筑的建造方式與3D打印建造方式相結(jié)合，采用整體預(yù)制拼裝、局部打印連接的方式，設(shè)計建造月面基地。2015年，正是對3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的研究，把丁烈云的思路帶到了月球。
2015年，丁烈云正在擔(dān)任華中科技大學(xué)的校長，對高校在科技進步中的作用，他有自己的思考。
丁烈云：高校一定要做未來的事，一定要做引領(lǐng)的事，甚至更長一點，你比方說十年以后的事，甚至是更長的一些事。
丁烈云沒有將設(shè)想停留在紙面，而是瞄準(zhǔn)月面基地建造帶領(lǐng)團隊說干就干。當(dāng)時他們可以參考的是美國阿波羅計劃獲得的月球資料，包括月球表面結(jié)構(gòu)特征和月面物質(zhì)的化學(xué)成分、光學(xué)及熱力學(xué)物理特性等。
記者：那您怎么能確保從各種各樣的文獻，不管是一手的，也許有二手的，那么從這些現(xiàn)存的資料里面，能夠搜集分析，得出一個準(zhǔn)確的結(jié)論。
丁烈云：不要說這個月球上的月壤，就是地球上面，它也不會有兩個，完全一樣的這個地質(zhì)，它是不斷地變化的，所以我們更多還是要找出它的主成分是什么。
研究表明，月壤是分布于月球表面的一層厚達幾至十幾米的土狀混合物，主要由巖石碎屑、礦物碎屑、玻璃質(zhì)顆粒和黏合劑組成。月壤成分在不同的區(qū)域存在差異，如月海地區(qū)主要是玄武質(zhì)高鈦和低鈦月壤，而月球高地地區(qū)則為斜長巖質(zhì)月壤。而長白山的火山灰，是地球上能找到的和月壤成分比較接近的土壤。
記者：拉回來以后怎么用它呢？
丁烈云：首先要把它做成模擬月壤，模擬月壤就按照文獻上面公開發(fā)表的那些成分，比方說先把它清洗，清洗完了以后把它烘干，月壤是沒有水的，我們要把它烘干，烘干了以后，把它的有機質(zhì)去掉，因為地球上的模擬月壤肯定是有有機質(zhì)的，真正的月壤它是沒有有機質(zhì)的。再把它碾碎，碾碎了以后再分析它的成分，因為月壤構(gòu)成的成分無非就是這么幾種，你看看它里面還缺什么，缺什么再加，加了以后就變成這樣一個配制的模擬月壤。
得到模擬月壤后，下一步就是解決月壤成型的問題。對原位建造的追求，驅(qū)使丁烈云團隊尋求新的成型方法。
丁烈云：月壤成型它目前有幾種成型，比方說一種成型它是通過堿激發(fā)，燒堿加水，把月壤能夠凝固起來，或者加這種硫黃。然后再進行3D打印，但是一想你這不是百分之百的原位。
記者：什么叫原位？
丁烈云：原位就是不帶任何東西，完全利用月球上的資源，因為你要帶燒堿，你還要帶硫黃到那去，那就不是原位。
在月面建什么樣的建筑，丁烈云團隊一直在進行各種嘗試，起初嘗試了穹頂結(jié)構(gòu)、拱形結(jié)構(gòu)以及柱狀結(jié)構(gòu)，很多造型反復(fù)嘗試，既要符合月球表面的使用環(huán)境，又要方便建造。
月壺尊是雙層的穹頂結(jié)構(gòu)，涉及12個設(shè)計參數(shù)，滿足空間最大、應(yīng)力最低、保溫隔熱的要求，而且自重小、用的材料少。對于3D打印機來說，也必須滿足一定的要求。
丁烈云：火箭的運載的能力，現(xiàn)在不能運載這么重的一些設(shè)備。所以現(xiàn)在等于說還沒有到這種程度，只是還是要驗證。用這個月壤進行擠，擠出來了以后，能不能成為一個完整的形狀。它因為打的時候要流動性好，流動性不好它擠不出來，但是流動性太好了以后，你打得它塌下去了，所以怎么樣去找到一個合適的，流動性又好，同時讓它又能夠粘得住，能夠具有一定的穩(wěn)定性，這個就要不斷地研究。
丁烈云團隊設(shè)想采用的3D打印施工，是先在月表用注漿加固法打地基，然后在地基上打印結(jié)構(gòu)，穹頂采用氣囊放置法固定，再在氣囊上打印穹頂，最終打印成型。這個工藝可以建造各種形狀的月球基地結(jié)構(gòu)，但3D打印是個連續(xù)過程，存在大尺寸結(jié)構(gòu)一次性成型困難、耗能大等問題。
借鑒中國傳統(tǒng)砌筑和榫卯連接方式，丁烈云團隊創(chuàng)造性地提出利用月壤燒結(jié)出帶有榫卯結(jié)構(gòu)的月壤磚，再進行拼裝建造，通過燒結(jié)月球磚把一次性成型的風(fēng)險分散掉，然后由機器人砌筑，同時用3D打印加強連接來完成結(jié)構(gòu)，避免結(jié)構(gòu)變形。
2021年，科技部將“輕量化可重構(gòu)月面建造方法研究”列入重點研發(fā)計劃，成為“工程科學(xué)與綜合交叉”的重點專項。華中科技大學(xué)成為該項目的首席科學(xué)家單位。月面原位建造面臨著極端環(huán)境的巨大挑戰(zhàn)，包括原位材料單一、無液態(tài)水、低重力，月面晝夜高達300多攝氏度的溫差，還有每年約1000次2—3級的月震、宇宙射線的強輻射、月面復(fù)雜形貌與地質(zhì)等，這些都讓月球上的建造工作成為極具挑戰(zhàn)的超級工程。
記者：您所做的一切嘗試的前提，是假設(shè)我們是在地球上做，還是我們假設(shè)在月球上做。
丁烈云：首先是在地球上做。在地球環(huán)境上我們先試試。我把那個跑通，再考慮各種各樣的極端條件，極端環(huán)境。真空我們是可以模擬的，我們實驗室里面就有真空，高低溫是可以模擬的，比方說零下一百攝氏度，零上一百攝氏度，甚至更高點，最難的就是低重力。月球的重力加速度是地球的六分之一，六分之一就是說人在月球上跳得很高，在地球跳不了那么高，但是它會影響在成型過程當(dāng)中的品質(zhì)，是不一樣的。
月壤里含有多種礦物，它們的熔點不一樣，需要確定一個最佳的燒制溫度段，使得“月壤磚”能達到建筑材料所需的強度。但對于丁烈云團隊來說，在地球上進行的各種實驗，始終有一個缺陷，那就是無法真正模擬月球的環(huán)境，尤其是月球的重力環(huán)境。
丁烈云：下一步應(yīng)該這樣，一定要真正地在月球上去燒磚，燒了以后，再去看它的強度是個什么樣的強度，這個月壤成型的機理，這些規(guī)律是什么，要把這個慢慢地搞清楚，才能夠制定用什么樣的燒結(jié)工藝，能夠保證月壤磚它的強度是夠的。
記者：如果要真正深入地理解這件事，一定要真實在月球環(huán)境下去燒磚。
模擬月球的真空環(huán)境，科研人員將裝有月壤粉末的石墨模具，整體置于真空熱壓爐內(nèi)進行燒制。燒制一爐模擬月壤磚，大概需要24小時。
丁烈云：燒一次時間不會太長，實際上做熱循環(huán)實驗的時間很長。
記者：什么叫熱循環(huán)？
丁烈云：月球上面的一天，是地球上面的一個月。我們要把燒好的磚，要拿到很高的溫度里面去烤，然后又把它拿到低溫里面，就不斷地循環(huán)，循環(huán)多少次以后，看它的性能是不是發(fā)生了變化，就花時間很長。
記者：我們都生活在地球上這么長時間了，春夏秋冬，什么氣候，什么濕度，大家伙都心知肚明，但是恰恰在月球上，這一切僅僅是人類有限的記載，而且沒有人在上面蓋過房子，也就是說很多條件都不知道，那這些不知道怎么變成已知呢？
丁烈云：這個還是要利用人類的研究的成果，就是我們要做學(xué)術(shù)研究，有時候發(fā)表論文，為什么要做這件事情呢？實際上把我們研究的成果，全人類來進行共享。當(dāng)時嫦娥五號的月壤沒有回來的時候，那我們只能用什么呢？用阿波羅它發(fā)表的這些成果，然后模擬阿波羅的，它帶回來月壤的這種成分。嫦娥五號的月壤回來了以后，我們有的單位先獲得了月壤，它也進行了研究，把這個成分就公開發(fā)表了，我們就知道，我們要利用這些成果，不是什么東西，都要從一做起，就是這樣你可以在別人研究的基礎(chǔ)上，往前邁出一大步，做自己最該想做的一些事情。
目前，丁烈云團隊已經(jīng)完成模擬月壤的三種燒結(jié)試驗，具體為真空燒結(jié)、惰性氣體燒結(jié)、空氣燒結(jié)。其中在惰性氣體中燒結(jié)強度最高，能達到100多兆帕。而在真空環(huán)境下，只需要將模擬月壤加熱到1000℃到1100℃之間，就可以實現(xiàn)有效的燒結(jié)。如果加壓的話，燒結(jié)的時間還可以縮短。然而，月壤磚的合理強度，要以月球的環(huán)境為依據(jù)。
2020年12月，嫦娥五號成功從月球帶回1731克月壤樣品。這是人類首次獲得的月表面年輕火山巖區(qū)樣品，也是中國科學(xué)家第一次擁有屬于自己的地外天體返回樣品。2023年，丁烈云團隊得到了500毫克嫦娥五號采回的月壤樣品。
進行月面建造方法研究近10年，丁烈云團隊第一次得到真實的月壤樣品，這讓他們既珍惜又興奮。
目前，國家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心圍繞地外建造開展了三項研究工作，分別是玄武月球基地的星際樂高拼裝建造、月壺尊建筑3D打印建造和月面著陸墊建造。團隊集結(jié)了多學(xué)科的跨界人才。
在丁烈云團隊的實驗室里，地球和月球兩條路并行不悖。學(xué)生們的研究方向涉及城市交通、地下管道、建筑機器人等多個領(lǐng)域。
長期從事數(shù)字建造、工程安全理論與技術(shù)研究，加上擔(dān)任大學(xué)校長的經(jīng)歷，丁烈云目前最關(guān)注的，是培養(yǎng)未來能夠面對挑戰(zhàn)、勇于探索的高素質(zhì)、綜合性人才。華中科技大學(xué)土木與水利學(xué)院碩士研究生柯美翔，向我們展示的是他們研發(fā)的第三代智能化鋼筋綁扎機器人。
記者：如果沒有它，是人用手去綁的，是吧。
柯美翔：對的。因為它是一個重復(fù)性的工作，勞動強度很高，需要工人彎腰勞動，我們團隊就想去研發(fā)這樣一款機器人，來替代工人進行綁扎工作。
自1969年阿波羅11號成功實現(xiàn)人類首次登月以來，人類對月球的探索從未停歇。隨著我國航天科技的不斷進步，我們對月球的認(rèn)知逐步加深，探索的步伐也日益加快。此次模擬月壤磚搭乘天舟八號進入太空實驗室，將為未來的月球基地建設(shè)提供相關(guān)數(shù)據(jù)支持。
當(dāng)前，各國已設(shè)計多類月面建造結(jié)構(gòu)方案，主要包括剛性結(jié)構(gòu)、可展開結(jié)構(gòu)、充氣結(jié)構(gòu)、3D打印結(jié)構(gòu)、砌筑拼裝結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)等。仰望星空、腳踏實地，丁烈云團隊的實驗還在繼續(xù)。
丁烈云：今天在月球上的這些試驗，是為我們今后走得更遠(yuǎn)，提供的某一種更基礎(chǔ)的研究，也是把月球作為一個試驗基地，讓人類深空探測能夠走得更遠(yuǎn)。
制片人丨劉斌
記者丨董倩
策劃丨黃瑛
編導(dǎo)丨丁芳
攝像丨王忠仁 王揚 高忠