kprhcz ·

用航天员的尿液在月球上建基地,有内味了

  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

  

  月球基地概念图(图片来源:https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2018/11/Future_Moon_base

  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。

  

  3D打印的手办模型(图片来源:https://www.printplaygames.com/product/3d-printed-miniatures/

  

  3D打印的工艺品(图片来源:https://www.kateblacklock.com/3d-printed-ceramics/

  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300400种,我国生产的塑化剂约有100110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   

参与评论