华中科技大学提出的月壶尊打印建造方案示意图。
砖，是世界上最古老，也是我们日常最熟悉的建筑材料之一。小小一块砖，在人类文明演化进程中具有重要意义。从底格里斯河上游9500年前的古老砖坯，到美索不达米亚平原上发掘出来的砖块；从我国蓝田出土的5000年前仰韶文化晚期烧结砖，到秦朝烧制水平领先世界并大量应用到工程中的砖块……纵观砖的起源与发展，材料工艺不断创新，应用场景持续拓展。
那么，“月壤砖”到底是什么砖，和地球上的砖又有什么不同呢？
月壤砖的原材料是月壤。月壤是指覆盖在月球表面基岩以上的松散颗粒堆积物质，是经陨石撞击、宇宙射线轰击、剧烈温度变化的产物。月壤和地球土壤很不一样。相比而言，地球土壤是岩石经过风化作用形成的矿物颗粒，由矿物质和腐殖质组成的固体颗粒约占地球土壤体积的50%。月壤颗粒形态多为棱角状、次棱角状、长条状等。就其化合物成分而言，月壤以氧化硅为主，同时富含氧化铝、氧化铁、氧化镁、氧化钙等；就矿物成分而言，月壤主要为斜长石、橄榄石、辉石、钛铁矿及玻璃物质等；就粒径分布而言，美国阿波罗与苏联“月球”的样品粒径在10微米至100微米之间，而我国嫦娥五号采集的月壤样品最大粒径不超过300微米。
月壤砖的制作工艺有很多种途径。比如，在月壤中添加水和胶凝材料，就可将其制备为类混凝土砖。现有研究提出的月壤基类混凝土主要包括地聚合物混凝土、碱激发混凝土、硫黄黏结类混凝土和有机物黏结类混凝土等，常温下的抗压强度约为5至70兆帕。然而，这种工艺要求从地球携带一部分材料去月球才能制备月壤砖。除此之外，也可以像烧制红砖、青砖一样，采用烧结工艺制备月壤砖，如微波烧结、热压烧结、电磁感应烧结等。这样制备的月壤砖，其抗压强度最高可达500兆帕以上，比普通红砖15至20兆帕的抗压强度要高得多。制备结构复杂、异形的月壤砖，也可以使用激光、电子束、太阳能等为能量源的增材制造技术。
月壤砖的使用环境与地球环境不一样。在月球上，月壤砖面临低重力、高真空、大温变、高频月震、强辐射☢️、微陨石冲击等极端环境。月球表面重力仅为地球表面的约1/6，月壤砖作为月面建筑结构基础的承载力是否会在低重力条件下显著减弱？月面昼夜27.32天更替一次，昼夜温差可达290摄氏度，月壤砖的性能在高低温循环作用下是否会发生退化？月球每年发生约1000次深部月震，月壤砖及其建造结构能否承受住月震而不被破坏？宇宙射线如质子、太阳风粒子等可直达月面，根据嫦娥四号探测数据，月表环境辐射☢️达到每小时60微希沃特，是地球表面辐射☢️水平的200倍。月壤砖能否抵挡住这些强辐射☢️并起到保护航天员及航天器的作用？这些极端环境都对月壤砖的力学、热学、防辐射☢️、耐久性等性能提出了很高的要求。华中科技大学研制的模拟月壤砖于2024年11月15日通过天舟八号成功送往中国空间站，开展为期3年的舱外暴露试验，为未来月球基地建设积累科研数据。
月壤砖到底有什么用处呢？首先是在月球上造房子。美国航空航天局（NASA）设计了由33个月壤砖砌筑而成的拱形圆顶结构，佛罗里达国际大学提出了外壳由空心砌块组成的月球栖息地方案，华中科技大学则设想由预制榫卯月球砖为基本单元建造月球“玄武基地”。除了房子，建造月面着陆场也离不开月壤砖，华中科技大学提出了由拓扑互锁月壤砖组成的月面着陆垫建造方案，可有效提高着陆垫的承载能力。目前，我国计划实施的嫦娥八号任务中，有一项是尝试在月球就地取材、利用3D打印技术制备月壤砖。为了实现这一目标，国家航天局探月与航天工程中心组织中国空间技术研究院、华中科技大学等单位的科研团队正在一起攻关。我们可以期待，未来在月球上用月壤砖建造国际月球科研站和月球基地。
（作者为华中科技大学土木与水利工程学院教授）
