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- 为什么我们需要月球上的道路
- 处理我使用微波技术
- 围绕自然景观修建道路
- 3D打印地外混凝土
未来采矿基地的计划，以及计划于2025年登陆月球的阿尔忒弥斯三世(Artemis III)等任务，即将开启人类在太阳系更广泛存在的新时代。许多作家和电影制作人描绘了人类在月球上的最疯狂的想象，在我们采取具体行动使月球成为一个真正的、工作的科学殖民地的现实面前显得苍白无力。
✅道路和科学站栖息地等长期基础设施的两个关键:可持续地创造可以在月球上就地采购和加工的材料。可以在月球上建造基础设施的机器
为了开发必要的技术，NASA正在对学术界和工业界的工程创新进行投资。在其他投资中，nasa在2022年授予总部位于奥斯汀的3d打印公司Icon一份价值5720万美元的合同，用于建造月球道路和其他基础设施。在太空计划中，阿尔忒弥斯任务将为人类在月球上长期持续存在奠定基础，包括展示用于提取金属的月球采矿工具。
在学术方面，宾夕法尼亚州立大学(Penn State University)教授斯文·g·比尔萨姆(Sven G. bilsamyn)等工程师正在研究月球表面基础设施的可行设计，包括用于栖息地和道路的3D打印，以及使用微波为各种月球应用提供动力。
为什么我们需要月球上的道路
月球上的道路不仅仅是为了看起来很未来和很酷。众所周知，在裸露的风化层(月球上由灰尘、土壤和破碎的岩石组成的松散表层)上行驶会引发问题——甚至是危险的问题。阿波罗号的宇航员在月球车里四处走动还不错。但他们很快意识到，他们把不想要的灰尘带回了漫游者。“首先，风化层没有风化，不像地球上的沙子或砾石。就像锯齿状的小刀片。这些刀片会进入每一个关节，每一个橡胶垫圈，然后把它们吃掉，”比尔森向《大众机械》解释道。其次，月球尘埃是由带静电的微小颗粒组成的，它们不仅粘在所有东西上，而且可以被吸入，对我们的健康构成威胁。平坦、压实的道路可以防止扬起灰尘。
筑路需要用松散的颗粒压实坚硬的表面。“我们在地球上有很多方法可以做到这一点。最简单的方法就是把它压下来，基本上就是压缩它。随着时间的推移，这是用很多土路完成的，”比尔萨姆说。“问题是它不是很耐用。当你从它们身上开过去时，往往会把它们撕碎。另一种方法是将砾石与焦油混合——基本上就是沥青，然后是柏油路。”
在地球上，你可以用水泥的混合物来制造混凝土，水泥是水、细沙和少量其他化合物的粘合剂，经过化学硬化过程。在月球上，你必须应对缺乏我们通常用于道路的成分的问题。
3D打印地外混凝土
这就是为什么用风化土制造混凝土是基本的必需品。bilsamen和宾夕法尼亚州立大学土木工程教授Aleksandra Radlińska是一个由同事和学生组成的跨学科团队的成员，他们在2019年美国宇航局的3d打印栖息地挑战赛中获得了第二名。Radlińska和她的土木工程同事设计了建造一个稳定的、机器人3d打印的火星栖息地所需的混凝土。它是基于一种“marscrete”，一种将熔化的硫磺与沙子混合在一起的材料;许多工程师，不仅仅是宾夕法尼亚州立大学的工程师，都在研究marscrete的用途。
宾夕法尼亚州立大学团队的混凝土必须模仿火星土壤，并且使用很少的水。然而，在比赛进行到一半的时候，科学家们最终发现火星上有水，所以工程师们能够改变他们的混合物，使用更方便的波特兰水泥，这是建筑工业中最常用的水泥类型。它是石灰石和粘土矿物的混合物，还有一些石膏，当然，水也是混合物的一部分。
月球将需要一种基于月球风化层的不同类型的混凝土混合物。在过去的几年里，Radlińska的团队向空间站发送了模拟的月球风化层材料，以测试它们在不同重力水平下与水的混合情况。一些样本被放置在空间站的外部，以模拟月球上的极端温度和辐射。
2022年，Radlińska告诉美国土木工程师协会(ASCE)，月球上最终的混凝土可能不含任何水，因为任何微量的水都将是宝贵的——用于维持生命和其他需求。还有其他的挑战，比如设计在非常低的重力下混凝土中形成的许多裂缝。Radlinska告诉ASCE，这是因为“载荷在太空中的分布与在地球上的分布不同，所以这些新材料的拉伸压缩平衡必须进行调整。”她建议，一种解决方案是加入在月球上发现的玄武岩纤维来加强混凝土混合物。
比尔森相信，无论原材料采用何种形式，宾夕法尼亚州立大学的研究小组都证明了某种3d打印技术可能是建造月球的理想方法;它比从地球运输249,500英里的材料更有效，更便宜。目前，将一枚火箭及其货物送入地球轨道的成本约为每公斤1万美元。利用月球上可用的资源是一个更可行的解决方案。
今年3月，美国国家航空和宇宙航行局(NASA)选择了比尔萨因在宾夕法尼亚州立大学的学生组成的研究小组参加“突破、创新和改变游戏规则”(BIG)创意挑战赛。他们将尝试创造性的方法在月球上寻找金属资源。这些风化层金属可能被用来加固混凝土道路，比尔萨姆说。在地球上，我们通过插入钢筋来支撑混凝土结构，这是一种专门的金属棒。在月球上，我们也许可以开采钛铁矿，这是一种在风化层中的黑色铁钛氧化物。比尔森说，冶炼——或者加热和熔化氧化物以提取其金属成分——可以生产出用于月球道路的钢筋。
曼彻斯特大学(University of Manchester)的一个团队最近提出了“星际克里特岛”(StarCrete)，将模拟火星土壤与马铃薯淀粉和少量盐的粘合剂混合在一起。其强度是传统混凝土的两倍，使其成为外星建筑项目的理想候选者。
美国国家航空航天局预计，未来几年，全球各个研究团队将在月球上进行小型技术演示。比尔森警告说，虽然这些将是重要的一步，但我们离建立月球建筑还很遥远。他说:“在月球上展示一些东西和实际进行大规模的建造有很大的不同。”
处理我使用微波技术
除了3d打印技术和月球混凝土的创造，美国宇航局正在投资研究的领域之一是微波烧结，这将使用高功率微波加热和压缩金属粉末，直到它硬化成一种坚固的材料。结果可能看起来有点像玻璃，它可以被制成砖，安装在道路或其他结构中。正在探索微波技术在月球上的许多潜在用途的比尔萨姆说，微波可以增强混凝土的固化过程。
他说，我们可以在我们最近的邻居上建立一个“微波经济”，因为微波可以在制造道路材料和砖块的过程中为各种应用提供动力，比如加工金属。微波还可以用于医疗、农业生产，当然还有烹饪。利用微波，电力传输可以跳过大量的电缆。“你可以把能量从月球上的一个地方传送到另一个地方，来操作漫游车和类似的东西，”比尔萨姆说。例如，他的一名学生正在研究一种利用波束微波的水基推进技术。
围绕自然景观修建道路
比尔森说，月球地形本身就是月球基础设施的资源。例如，科学家正在考虑使用空的熔岩管作为居住地，但它们也可以用作车辆和材料的仓库。“好处是你不需要建造它们。你只需要把它们弄平，”比尔萨姆说。同样地，陨石坑也可以用作防爆盾牌，或作为着陆点，或者可能是栖息地的基地和墙壁。“这就像地球上的道路规划者。他们利用了拓扑学和地形特征。如果有座山，他们不会直接钻穿，对吧?除非这是最有效的方法，”他说。类似地，我们可以在月球自然拓扑周围建造道路和工作或生活区域。
月球也将成为进一步探索太空的起点。美国宇航局在3月底宣布了月球到火星计划。该机构相关的月球到火星行星自主建设技术(MMPACT)项目侧重于月球建设，将我们在月球上学到的知识应用于火星栖息地。
比尔萨因做出了一个明智的猜测:第一批宇航员可能要到本世纪30年代才会在月球上定居。比尔海姆说，人类在月球上持续存在的工作才刚刚开始，只有通过不同学科之间的合作，比如建筑师、土木工程师和电气工程师，才能实现这一目标。
幸运的是，这种合作在星际范围的任务中变得越来越普遍。“这不是一个微不足道的问题。当你把来自不同背景的人聚集在一起时，创新就会发生。这是你真正可以想出这些创新解决方案的地方，”他说。