论文标题： Lunar In Situ Large-Scale Construction: Quantitative Evaluation of Regolith Solidification Techniques

期刊：Engineering

作者：包查润, 张道博, 王钦玉, 崔一飞, 冯鹏

发表时间： August 2024

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.03.004

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引 言

探月步履不停，中国星光璀璨，3月20日鹊桥二号中继星发射成功，我国继续向探月工程四期目标稳步迈进。探月工程四期将进一步开展月球资源考察、原位资源利用关键技术验证，为后续建设国际月球科研站打下基础，标志着我国探月工程从探索考察逐步转向开发利用。

清华大学冯鹏教授团队于2017年开始月球建造研究工作，联合清华大学水利系、机械系、航天航空学院等科研团队，从月球基地建造需求出发，在月壤性能表征与模拟，月壤基材料固化成形、月面功能件拼装搭建、月球结构服役性能等方面开展理论研究和技术开发。近期，研究团队针对月壤固化成形技术开展了评估分析，相关研究成果已在中国工程院院刊Engineering发表。

一图读懂全文

01

研究背景

月球是人类探索宇宙的第一站，近年来太空需求日益增长，空间技术不断发展，人类探索月球的兴趣再次高涨。美国提出阿尔忒弥斯计划，计划十年内在月球表面建造一个长期生存基地；中国与俄罗斯发布了国际月球研究站（ILRS）计划，概述了“勘、建、用”三步走战略。欧洲、日本、韩国、印度等地区也积极参与月球探索，研究月壤固化技术。月球建造已成为月球探测领域的重要工程需求和热门研究课题。

月壤固化成形是原位建造（ISRU）的核心技术，ISRU旨在最大限度地利用原位资源，降低运输和维护需求。目前已有近20种技术方法用于生产月壤基建筑材料，各种技术的实施条件和实现能力各异。用于月球建造的材料必须是低成本和高性能的，低成本是指材料制备过程应降低资源消耗、能源需求和机械操作，高性能要求材料在月球环境中保持可靠的服役性能。

本研究的主要贡献是针对月壤固化成形技术开展的准确分类、全面综述和定量评估。

02

建造方案

根据月球建造条件和国际月球科研站长期目标，本研究将月球基地建造规划为四个阶段，分阶段实现功能定位和建造目标。

表1 月球基地四阶段发展路线

计划建造的月球基地包括三类建造目标：

场地：场地处理可分为场地硬化和场地固化，其中硬化场地用于建造航天器起降平台、结构基础、交通道路等设施，具有较高的力学性能需求；固化场地用于降低月尘造成的磨损和导电损伤，施工效率和成本控制要求较高。

防护结构：防护结构用于阻绝月面恶劣环境，如阳光直射、月尘侵袭等，防护结构施工体量大，需要采用高效率、低成本、低维护需求的建造方案。

人居结构：宇航员居住的建筑物是最重要的建造目标，月球建筑必须能够保持内部气压、温度、湿度稳定，抵御辐射、微陨石威胁，对于长期任务，月球建筑应提供足够的内部空间和功能分区。

为了确定适合月球建造的原位材料制备技术，确定技术差距和发展方向，本研究开展了月壤固化成形技术综述和评估。

图1 月球基地概念图

03

技术分类

根据颗粒结合机理，月壤固化成形技术可分为四类：反应固化、烧结熔融、粘结固化和约束成形。在每一类技术原理中，根据实施条件具体区分各种技术。

图2 月壤固化成形技术分类

1. 反应固化

反应固化技术涉及化学反应，月壤颗粒通过反应产物胶结成为整体，根据反应类型和条件具体分为：

1.1 水化反应：通常涉及硅酸盐或铝酸盐水泥的水化反应。

1.2 氯氧镁反应：反应原料为氧化镁和氯化镁，主要产物包括两种Mg(OH)₂-MgCl-H₂O化合物。

1.3 地质聚合反应：硅铝基原料在碱性条件下生成硅铝酸盐化合物，并形成具有三维网状结构的聚合物。地聚反应的耗水量极低，98%的水可被循环利用。

1.4 水热合成反应（DMSI）：该反应以硅酸盐水泥为反应原料，在饱和蒸汽加压环境中进行，产物结构受环境温度和含水率影响。这种方法可以降低真空环境对混凝土养护的影响。

图3 反应固化样品：(a) 氯氧镁反应；(b) 地聚反应；(c) DMSI

2. 烧结熔融

烧结熔融技术涉及月壤高温处理。烧结发生在熔点以下，材料发生玻璃化转变，熔融发生在熔点以上，材料达到局部或完全流动状态。

烧结固化技术根据能量来源具体分为：

2.1 直接烧结：使用电热烧结。

2.2 微波烧结：使用微波加热月壤。微波烧结试样的抗压强度波动较大，在12~120 MPa不等，这是由于不同模拟月壤的微波吸收能力存在差异。

2.3 自蔓延烧结（SPS）：使用化学反应释放的热量加热月壤，通常涉及铝热或镁热反应。

2.4 光成型烧结：该技术称为digital light processing sintering，首先使用光固化树脂使月壤成型，然后烧结固化，该技术固化强度最高达到428 MPa。

图4 烧结设备及样品：(a-b) 直接烧结；(c-d) 微波烧结；(e-f) SPS

熔融固化技术根据能量来源具体分为：

2.5 日光熔融：利用光学设备聚集太阳光加热月壤，属于增材成型技术。

2.6 激光熔融：利用激光加热月壤，同样属于增材成型技术。

2.7 完全熔融：将月壤加热至完全熔融后冷却成型，在所有技术中固化强度最高，达到538 MPa。

图5 熔融固化产物：(a) 太阳能熔融；(b) 激光熔融；(c) 完全熔融

3. 粘结固化

粘结固化技术使用胶结剂粘合月壤颗粒，根据胶结剂种类具体分为：

3.1 聚合物粘结：聚合物粘结剂包括聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、硅树脂等，加热至聚合物融化，粘结月壤颗粒实现固化。

3.2 硫粘结：使用硫作为粘结剂，硫在95℃以上将升华，在月球低纬度区域使用硫粘结时需要额外保温。

3.3 生物材料粘结：使用尿素或血清蛋白作为粘结剂，这种技术旨在最大限度地利用到达月球的资源。

3.4 金属粘结：使用铝作为粘结剂，具体方法是将月壤与AlSi10Mg粉末1:1混合，再使用激光加热固化。与激光熔融技术相比，铝粘结剂降低了固化产物的脆性，其抗压强度最高达到264 MPa。

3.5 氧化物粘结：又称低温烧结（Cold sintering），具体方法是在月壤中加入NaOH溶液，月壤表面氧化物溶解形成玻璃相产物，后者粘合相邻月壤颗粒实现固化。根据颗粒结合机理，这种技术被归类为粘结固化。

图6 粘结固化产物：(a) 硫粘结；(b) 生物材料粘结；(c) 金属粘结

4. 约束成形

4.1 月壤袋约束成形：约束成形使用织物约束月壤粉体，该技术方案未在颗粒之间建立连接，而是通过整体约束形成构件。约束成形技术已应用于地球房屋建造，成熟度较高。现有月球建造方案中使用约束成形技术建造主体结构、防护结构和临时构件。

图7 约束成形构件：(a) 防护墙构件；(b) 拱构件

04

量化评价

8IMEM方法包含八项指标，评估当前技术的实施条件和实现能力。评分规则如表1所示，5分表示完全满足月面建造需求，1分表示存在技术缺陷。评分阈值根据建造需求确定，例如基于火箭运载能力和结构体量的估计，单枚火箭有效运载质量约占月球基地单体结构总质量的2%，据此确定原位资源占比的评分阈值。

表2 评价指标与评分阈值

本研究建立了月壤固化成形技术数据库，部分统计结果如图8(a)-(c)所示。烧结熔融和约束成形技术的原位资源占比超过98%，反应固化和粘结固化技术普遍为65-95%，这对于月球建造来说相对较低。在固化强度方面，反应固化技术普遍满足15 MPa抗压强度的要求，烧结熔融和粘结固化技术取决于特定的加热方法和粘合剂的选择，约束成形技术暂未满足抗压强度要求。

图8a 原位资源占比-抗压强度

固化温度：固化温度可分为两组，烧结熔融通常高于1050℃，其他技术不超过250℃。温度指标反映了设备、能耗和功率的要求，真空中缺少空气流动，高温操作的均匀加热和高效冷却变得更具挑战性。能耗分析表明，将1吨月壤加热至1000℃至少需要233 kWh的能量（比热0.84 kJ/kgK，不考虑热量损失），相当于100 m²光伏阵列6小时的发电量。

图8b 操作温度-抗压强度

操作时间：烧结熔融、粘结固化和约束成形的操作时间通常小于4小时，反应固化时间均大于4小时。操作时间一定程度上表征了技术能耗和生产效率，生产效率分析表明，在24个月球日（相当于2年）内生产500吨建筑材料，需要100升的马弗炉每4小时生产一批砌块。

图8c 操作时间-抗压强度

根据评估结果，约束成形技术是评分最高的技术方案，得到3.80分，在操作温度、时间、成形尺寸方面得到满分，原位资源占比99%，抗拉强度2 MPa，仅抗压强度指标低于中性分数，为2~3 MPa。

烧结熔融技术普遍排名前列，这归功于其最高的原位资源占比和优异的单项表现，例如完全熔融技术具有极高的固化强度，太阳能熔融技术直接利用太阳能，具有极高的能量利用效率。

图9 技术评分结果

表3 单项指标统计分析

单项指标分析表明，月壤固化成形技术整体发展水平尚未满足月面建造需要，各项指标的研究进展亦不均衡，有待突破的关键问题如下：

1.原位建造材料抗拉强度尚未满足月球建筑需求。现有研究较少开展针对固化样品抗拉强度的测试，或者测试结果相当低。月球表面是真空环境，建筑内压由结构承担，同时月面温度变化逾200 ℃，温度应力大，给建筑材料抗拉强度提出较高需求。此外，月壤基材料普遍表现为受压能力强、受拉能力弱，完全依靠月壤固化技术满足受拉性能的成本相当高，亦可通过膜材受拉、覆土保温等结构方法系统性解决原位材料受拉不足的问题。

2.月面极端环境服役性能尚未得到充分研究。受限于环境模拟条件，现有研究较少涉及月球环境对建材服役性能影响的研究，或者部分开展了单因素影响研究。月球建筑服役环境十分特殊，超真空、低重力、大温差、强辐射、多月尘环境的影响机理及其耦合作用需要深入分析，环境因素对建材本身以及建筑内部的影响效果也需要分别研究。

3.月球建造材料实施条件与实现能力的取舍关系尚未明确。序数方差分析表明，在操作温度、抗压强度、成形尺寸指标中排名靠前的技术，总排名反而有可能降低，这是因为此类技术通常需要添加上行资源，降低了原位资源占比的评分。在月球环境中，技术实施条件与实现能力的矛盾十分明显，低成本与高性能无法同时满足，需要基于不同的制备和服役场景，选择适宜的原位建造技术，其具体实现方法还需要开展大量研究工作。

05

结 论

1.月球基地发展可分为科研站、科考站、驻留地、栖息地四个阶段，最终建成综合性建筑群。

2.月壤固化成形技术根据颗粒结合机理分为四类：反应固化、烧结熔融、粘结固化、约束成形。前三类技术分别通过反应产物胶结、高温烧结或熔融、外加剂粘结实现月壤颗粒之间的结合，而约束成形技术通过整体约束形成构件。

3.提出一种8IMEM方法，通过八项指标定量评估各项技术的实施条件和实现能力，评分阈值基于月面建造需求确定。

4.月壤袋约束成形技术评分最高，该技术对材料、设备、能源需求较低，同时具有大型构件快速成型能力，在月球大规模原位建造中具有良好的应用前景。

5.烧结熔融类技术普遍评分较高，该类技术完全利用原位材料，其中完全熔融技术具有极高的固化强度，适用于关键节点制造；日光熔融技术直接汇聚太阳能，能量利用效率极高，适用于低能耗建造场景。

引用信息：Charun Bao, Daobo Zhang, Qinyu Wang, Yifei Cui, Peng Feng. Lunar In Situ Large-Scale Construction: Quantitative Evaluation of Regolith Solidification Techniques. Engineering. 2024.

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原文链接：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.03.004

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