出品：科普中国

制作：韩培（中科院空间应用工程与技术中心）

监制：中国科学院计算机网络信息中心

地球人探索星辰大海的梦想从未停歇，在地外空间建造行星基地是我们探索、勘测更广阔的地外空间的垫脚石。中国国家航天局、美国宇航局（NASA）、欧洲航天局（ESA）都计划着在未来数十年内建造月球基地。

在月球上建设基地分两步：一、准备建筑原材料；二、将建筑材料组建成基地。

看上去很简单，但是月球不比地球，环境恶劣：强辐射、极端高温，甚至可能会时不时掉下一颗陨石，想存活必须得建个强大的堡垒。在地球上建造一个基地尚且需要耗费大量人力、物力，更何况是在环境恶劣的月球上。

在月球上建基地，人力问题怎么解决？

以目前的人类技术，将一个人送上月球，容易，但是要将一大批人送上月球，则不简单，并且需要耗费大量的财力物力。

人手不足的问题，有没有高科技解决方案呢？

有的！3D打印技术。

3D打印是增材制造的俗称，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

那么3D打印技术建造房子可行吗？

可行，而且么3D打印技术已经实现了商业化。中国苏州工业园区一栋面积达1100平方米的别墅创造了全球首个带内装外装一体化3D打印的纪录。

3D打印不仅高度自动化，节省人力，还支持远程操控，从理论上来说完全可以在航天员到达月球之前先发射3D打印机并制造工具以及基础设施。

目前，多国已经提出用3D打印在月球上建造基地的想法。比如，ESA就提出用3D打印的方法混合月球表面的浮尘、水等来建造月面建筑。俄罗斯也计划使用月球尘埃或风化层作为原料，利用3D打印技术建造一个月球基地。

△月球基地概念图https://sputniknews.com/science/201812011070300348-russia-moon-base-lunar-exploration/

△未来的月球基地可以用3D打印机建造，这种打印机可以混合月球表面的浮土、水和航天员的尿液等材料。图片来源：ESA, Foster and Partners

△月球基地概念图http://worldbuilding.stackexchange.com/questions/39427/do-we-actually-have-the-technology-for-a-permanent-moon-outpost

技术问题得到解决，我们再来说说材料问题。

俗话说，巧妇难为无米之炊，建造离不开建筑材料，那么问题来了：建筑材料怎么解决呢？

月球上的引力是地球上的六分之一，建筑材料的结构力学与地球上的不同，而且月球温差极大，温度的极端变化也会影响建筑强度；更何况，月球上还有比地球上的地震更高频的"月震"，这使基地建造对建筑原料的要求比较高。

基地建设原材料是否可以在月球上就地取材？

卡塔赫纳理工大学（穆尔西亚）教授拉蒙•帕米斯解释说："要制造用于月球基地建造的聚合物，可以原位资源利用，利用月球表面的土壤（来自月球表面的松散物质）和一些地区冰中的水"，

水是月球表面非常宝贵的资源，且不易获得，月球上的水主要以气态水和冰态水的形式存在。从已知的数据来看，到底有多少水冰，如今还是未知数。

即使水冰数量足够多，要从-240℃左右、几公里深、伸手不见五指的深坑中，将水冰加热转化成水，再收集利用也很难。比如，用什么装置加热？加热过程需要消耗多少能量？能源如何解决？运输问题又如何解决？因此使用高需水量的建筑材料几乎是不可能的。

2014年有学者提出了一种用Sorel水泥（Sorel水泥，又称之为玻镁板，是将氯化镁、氧化镁、水组合在一起生成的胶凝材料，具有凝结快、强度高、粘接力强、密度小、PH值低、可塑性强等优点），在月球表面施工的3D打印工艺。不幸的是，该方法需要大量的消耗品（化学品和水）才能生产粘合剂。

从地球上运水是否可行？

我们先来算算成本。从地球到太空运输约0.45千克的成本约为10,000美元，也就是七万多人民币。如果要运输建造一座基地的水，成本无法想象。

所以研究人员想到了用航天员提供的原材料，例如尿液。

近日，欧洲研究人员发现，尿液中的尿素可以用作结构混凝土中的增塑剂。挪威、西班牙、荷兰和意大利的科学家与ESA合作进行了几次实验，验证尿素作为增塑剂的潜力。研究发现，尿素能够掺入混凝土中以软化初始混合物，并使其在硬化之前更柔软。

增塑剂是一种能减低高分子化合物玻璃化温度和熔化溫度，改进胶层脆性，提高融熔流动性的化学物质。增塑剂添加到聚合物中，分布在大分子链之间，能降低分子间作用力，使聚合物粘度降低，柔韧性增强。

一般混凝土的含水量越高，其流动性及加工性越好。但在混凝土有足够的水分时，混凝土凝固后的强度和含水量恰成反比。因此若要混凝土有高强度，混凝土的水量不能过多，而增塑剂可以在不影响混凝土的加工性的条件下减少其含水量（因此称为减水剂），同时提升混凝土的强度。

增塑剂主要有脂肪族二元酸酯类、苯二甲酸酯类（包括邻苯二甲酸酯类、对苯二甲酸酯类）、苯多酸酯类、苯甲酸酯类、多元醇酯类、氯化烃类、环氧类、柠檬酸酯类、聚酯类等多种。目前世界上已经研制和生产了上千种增塑剂，应用较多的有300～400种，我国生产的塑化剂约有100～110种。用于建筑的混凝土用的增塑剂主要是聚羧酸系化合物。

在奥斯福德大学学院（挪威），研究人员使用ESA开发的类似于月球岩石的材料，分别加入尿素和各种增塑剂，再使用3D打印机制造了各种"泥浆"圆筒，打印出各种基建样本，并比较它们的效果。实验结果表明，掺有尿素的样品形状几乎保持稳定，即使加热到80摄氏度，甚至在模拟月球上8次冻融循环后，测试样品的塑性甚至会增强。

利用尿液建造月球基地，是不是很神奇？

毕竟，在资源有限的条件下，各种能利用的都是宝贵的资源啊。未来我国月球基地的建造也少不了要原位资源利用，届时各种黑科技都要七十二般武艺样样亮出来，让我们拭目以待吧！

参考文献：

Shima Pilehvar et al, Utilization of urea as an accessible superplasticizer on the moon for lunar geopolymer mixtures, Journal of Cleaner Production (2019). DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.119177

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