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    【长江日报】把房子盖到月球上去——亚搏全站手机网页登陆院士团队研究机器人就地取材造月面基地

    时间:2022-07-14 浏览次数:

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    周诚教授查看3D打印出来的“月壶尊”。

    长江日报记者杨佳峰 摄

    使用机械臂试验完成月壤砖的拼装。

    国家数字建造技术创新中心供图

    韩文彬展示他们打印的有榫卯结构的月壤砖。

    长江日报记者杨佳峰 摄


    □ 长江日报首席记者 杨佳峰

    在月球上盖楼你敢想吗?亚搏全站手机网页登陆丁烈云院士团队不但敢想还敢干。他们把中国在月球上建造的月面基地样式定名为“月壶尊”,这是一个外形酷似鸡蛋壳的建筑。计划用月壤烧出月球砖,再用机器人砌筑。

    他们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”的重大突破。丁烈云介绍,“月壶尊”是先于人上月球还是后于人在月球上建造,还没有考虑成熟,现在的预研究是一种探索。

    ■ 月面基地建筑物定型“月壶尊”

    像个竖立的鸡蛋壳

    7月7日,在亚搏全站手机网页登陆国家数字建造技术创新中心,长江日报记者见到了3D打印模型“月壶尊”。从外面看,它像是一个放大的鸡蛋壳竖立在地面。

    作为建筑物,“月壶尊”里面并没有承重的“四梁八柱”,蛋壳顶端是穹顶结构,蛋壳体分内外两层,中间夹一层类似于肋骨的结构,以增强稳定性。

    亚搏全站手机网页登陆数字建造与工程管理系主任周诚教授介绍,记者眼前的“月壶尊”属于缩小版,它真实的长宽均为3米,类似于一个圆形结构的房子,房间分成上下两层,分成工作间和休息间。

    这个大胆的构想是中国工程院院士、国家数字建造技术创新中心首席科学家丁烈云提出的。他们将中国传统制砖砌筑的建造方式与3D打印建造方式相结合,采用整体预制拼装、局部打印连接的方式,设计建造月面基地。

    “月面基地不可能从地球上携带建筑材料去建造,这样的话建筑成本会极贵。”丁烈云将“月壶尊”定位为“原位建造”,即主要建造材料来源于月球本身而不是地球,“开始觉得难,现在已经有一些技术支撑,不像原来的那么难了。”

    由于月球上没有大气,再加上月面物质的热容量和导热率又很低,因而月球表面昼夜的温差很大。白天,月球表面在阳光垂直照射的地方温度最高可达127℃;夜晚,其表面温度可降低到零下183℃。在这样的地方建造房子无疑是一种考验。

    “建筑样式应该充分考虑保温隔热。”周诚表示,在月面建什么样的建筑,他们一直在进行各种尝试。团队起初尝试了穹顶结构、拱形结构以及柱状结构,很多造型反复尝试,要符合月球表面的使用环境,又要方便建造。

    2021年底,外形像竖立的鸡蛋壳的“月壶尊”成为月面基地建筑物的定型样式。“这一点符合丁烈云院士要求的既体现中国元素又有科技感。”现在,周诚每天的研究工作都围绕这枚“蛋壳”打交道,用什么材料、用什么工具、怎么建造。

    上小学的儿子得知周诚研究“月壶尊”的用途后很兴奋,每天放学回家后就缠着父亲问个不停。在孩子眼中,嫦娥奔月、吴刚伐桂、天狗吞月这些都是传说,还有什么比在月球上做房子更梦幻的事呢!

    周诚表示,月表地震频繁,“月壶尊”造型的稳定性可以抗击小地震,也恰好满足了建筑物保温隔热的效能。中国的探月工程表明,月球南极可能有连续光照的区域,可作为月球基地的理想选址。

    ■ 用月壤烧制带有榫卯结构的砖

    机器人进行拼装建造

    国际上对月球建造的共识是,不从地球上带物质上去,尽可能使用月球上的材料进行原位建造。丁烈云团队此前在吉林一个火山口寻获到的火山灰,成为建造“月壶尊”的模拟月壤。

    今年暑假期间,国家数字建造技术创新中心同样热火朝天。室内两名博士生韩文彬和王宇向正围着电加热炉,观看模拟月壤烧结成型砖块的过程,看看烧结产品在月面环境下可不可靠。

    烧结完成后,韩文彬对产品的强度、热学性能、耐久性等进行研究,而王宇向则在导师周诚教授的安排下专注于3D打印工艺的进一步优化。

    “月球造房最大的挑战在于极端环境。”周诚列举了月表环境对建造“月壶尊”的5大挑战。除了昼夜巨大温差对房子的结构性能影响外,还有散热规律不同于地球的真空环境、时间更长和频率更高的“月震”、陨石对月表的频繁冲击、月表重力会改变材料与结构的受力状态等不利因素。

    团队最初设想采用两种方式在月表建造“月壶尊”。一种采用3D打印施工,先在月表用注浆加固法打地基,然后在地基上打印结构,穹顶采用气囊放置法固定,再在气囊上打印穹顶,最终打印成型;另一种方式主要采用机械臂拼装施工,将太阳能或者激光烧结好的月壤砖通过机械臂一块块拼接起来,并提前做好“月壶尊”穹顶。

    两种施工方式各有优势。3D打印需要从地球上携带黏结剂到月球上去,一般黏结剂的重量占到整个建筑材料10%到15%。“假若‘月壶尊’;有20吨,那么3D打印至少需要2吨以上的黏结剂。”韩文彬说,2吨黏结剂加上300千克的3D打印设备,总共2.3吨材料送往月球,合计需要费用154亿元人民币,每平方米建筑成本8.5亿元人民币,远远高于地面建筑成本。

    机械臂拼装施工则需要用高能束(太阳能或者激光)烧结月壤,铺一层月壤烧结一次,如此往复,直到“月壶尊”全部拼装成型。好处是建造成本相对便宜,只需要机械臂和烧制设备,比3D打印送往月球的材料要轻,建造成本也降低。但是这种施工风险较高,很难克服月表温差影响,容易造成结构变形。

    周诚介绍,国外建造月面基地的技术体系是3D打印。这个工艺可以建造各种形状的月球基地结构,但3D打印是个连续过程,一旦打印过程出现被打印结构破损开裂的情况,整个结构就失效了。一次性成型的风险很高,同时耗能太大。

    他们团队借鉴中国传统砌筑和榫卯连接方式,提出利用月壤烧结出带有榫卯结构的月壤砖,再进行拼装建造,通过烧结月球砖把一次性成型的风险分散掉,然后由机器人砌筑,同时用3D打印加强连接来完成结构,避免结构变形。

    丁烈云团队最后将两种施工方案融入一种名为“月蜘蛛”的机器人身上。周诚说,“月蜘蛛”属于3D打印机器人,远看像蜘蛛,上部分是混联机械臂,下部分是多足平台。按照设计要求,机械臂有200千克,底盘有500千克,施工时机械臂也可换成3D打印机。地面打印“月壶尊”和月面打印的步骤是一样的,不同的是施工环境差异,月面施工需要将结构和材料一体考虑。

    王宇向也向记者透露了降低成本的设想。他说,占比10%至15%的黏结剂是否可以减少到10%以内,强度依然不变;机械臂拼装施工可以设计一个更为轻质的设备减小地月运输成本。

    利用月球自身材料建造,会大大降低成本,国外也是这条路径。周诚说,“在月球上造房子,不一定是我们这一代就能完成的事,但未来会有人解决这个问题。月球基地建造的研究也可以催生出新的技术和业态,如3D打印建造、机器人砌筑等。”

    ■ 没有将设想停留在纸面

    带领团队说干就干

    建造月面基地的设想起始于2015年。当时,专注于数字建造研究的丁烈云院士在研究中发现,“建筑转型升级最重要的一个方面就是3D打。谠旅娲蛴』氐纳柘胧且桓龊茏匀坏南敕。”一些建筑景观或者小型构筑物采用人工往往没办法去做,而采用3D打印则很容易完成,这让丁烈云院士敏锐意识到无人的3D打印只有在极端环境才能发挥价值。极端环境在哪?他首先想到的是地外极端环境,例如在月球或者火星上。他说,“这是很自然的想法,而不是突发奇想。”

    丁烈云院士没有将设想停留在纸面,瞄准月面基地建造带领团队说干就干。“当时是我们自己研究,自己投入。”周诚向记者回忆,他们开启这个项目的研究后,丁烈云院士带领他们去有关部委对接,对方都很“吃惊”。

    中国探月工程总设计师、中国工程院院士吴伟仁关注到这个科研项目,认为在月面打印基地的设想——“轻量化可重构月面建造方法研究”属于基础性研究,很有价值。

    科技部2021年底将“轻量化可重构月面建造方法研究”列入重点研发计划,成为“工程科学与综合交叉”的重点专项。亚搏全站手机网页登陆成为该项目的首席科学家单位。

    “月面基地建造工程化是一个长远的目标,目前按照课题目标,我们是有信心实现的。”丁烈云告诉记者,目前课题项目还有一系列的问题要解决,比方说打印好了“月壶尊”以后里面充气设施如何工作、建造“月壶尊”的月面具体选址问题等,好多问题都需要解决。

    “目前我们所做的就是从0到1的探索,不能说马上就能使用,这是一个相对长远的规划。通过进一步月球勘探,或许会取得更多资料,说不定未来会变更技术路线,或者采用更新的技术路径来建造月球基地。”丁烈云说。


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