周誠教授查看3D打印出來的“月壺尊”。記者楊佳峰 攝

在月球上蓋樓你敢想嗎？華中科技大學丁烈雲(yun) 院士團隊不但敢想還敢幹。他們(men) 把中國在月球上建造的月麵基地樣式定名為(wei) “月壺尊”，這是一個(ge) 外形酷似雞蛋殼的建築。計劃用月壤燒出月球磚，再用機器人砌築。

他們(men) 已製備出國內(nei) 首個(ge) 模擬月壤真空燒結打印樣品，實現“從(cong) 0到1”的重大突破。丁烈雲(yun) 介紹，“月壺尊”是先於(yu) 人上月球還是後於(yu) 人在月球上建造，還沒有考慮成熟，現在的預研究是一種探索。

月麵基地建築物定型“月壺尊”

像個(ge) 豎立的雞蛋殼

“月壺尊”月麵基地效果圖，左邊為(wei) 建造月壺尊的“月蜘蛛”。(國家數字建造技術創新中心供圖)

7月7日，在華中科技大學國家數字建造技術創新中心，長江日報記者見到了3D打印模型“月壺尊”。從(cong) 外麵看，它像是一個(ge) 放大的雞蛋殼豎立在地麵。

作為(wei) 建築物，“月壺尊”裏麵並沒有承重的“四梁八柱”，蛋殼頂端是穹頂結構，蛋殼體(ti) 分內(nei) 外兩(liang) 層，中間夾一層類似於(yu) 肋骨的結構，以增強穩定性。

“月壺尊”內(nei) 部構造示意圖。(國家數字建造技術創新中心供圖)

華中科技大學土木與(yu) 水利工程學院數字建造與(yu) 工程管理係主任周誠教授介紹，記者眼前的“月壺尊”屬於(yu) 縮小版，它真實的長寬均為(wei) 3米，類似於(yu) 一個(ge) 圓形結構的房子，房間分成上下兩(liang) 層，分成工作間和休息間。

這個(ge) 大膽的構想是中國工程院院士、國家數字建造技術創新中心首席科學家丁烈雲(yun) 提出的。他們(men) 將中國傳(chuan) 統製磚砌築的建造方式與(yu) 3D打印建造方式相結合，采用整體(ti) 預製拚裝、局部打印連接的方式，設計建造月麵基地。

“月麵基地不可能從(cong) 地球上攜帶建築材料去建造，這樣的話建築成本會(hui) 極貴。”丁烈雲(yun) 將“月壺尊”定位為(wei) “原位建造”，即主要建造材料來源於(yu) 月球本身而不是地球，“開始覺得難，現在已經有一些技術支撐，不像原來的那麽(me) 難了。”

由於(yu) 月球上沒有大氣，再加上月麵物質的熱容量和導熱率又很低，因而月球表麵晝夜的溫差很大。白天，月球表麵在陽光垂直照射的地方溫度最高可達127℃；夜晚，其表麵溫度可降低到零下183℃。在這樣的地方建造房子無疑是一種考驗。

“建築樣式應該充分考慮保溫隔熱。”周誠表示，在月麵建什麽(me) 樣的建築，他們(men) 一直在進行各種嚐試。團隊起初嚐試了穹頂結構、拱形結構以及柱狀結構，很多造型反複嚐試，要符合月球表麵的使用環境，又要方便建造。

2021年底，外形像豎立的雞蛋殼的“月壺尊”成為(wei) 月麵基地建築物的定型樣式。“這一點符合丁烈雲(yun) 院士要求的既體(ti) 現中國元素又有科技感。”現在，周誠每天的研究工作都圍繞這枚“蛋殼”打交道，用什麽(me) 材料、用什麽(me) 工具、怎麽(me) 建造。

上小學的兒(er) 子得知周誠研究“月壺尊”的用途後很興(xing) 奮，每天放學回家後就纏著父親(qin) 問個(ge) 不停。在孩子眼中，嫦娥奔月、吳剛伐桂、天狗吞月這些都是傳(chuan) 說，還有什麽(me) 比在月球上做房子更夢幻的事呢！

周誠表示，月表地震頻繁，“月壺尊”造型的穩定性可以抗擊小地震，也恰好滿足了建築物保溫隔熱的效能。中國的探月工程表明，月球南極可能有連續光照的區域，可作為(wei) 月球基地的理想選址。

用月壤燒製帶有榫卯結構的磚

機器人進行拚裝建造

韓文彬展示他們(men) 打印的有榫卯結構的月壤磚。記者楊佳峰 攝

國際上對月球建造的共識是，不從(cong) 地球上帶物質上去，盡可能使用月球上的材料進行原位建造。丁烈雲(yun) 團隊此前在吉林一個(ge) 火山口尋獲到的火山灰，成為(wei) 建造“月壺尊”的模擬月壤。

今年暑假期間，國家數字建造技術創新中心同樣熱火朝天。室內(nei) 兩(liang) 名博士生韓文彬和王宇向正圍著電加熱爐，觀看模擬月壤燒結成型磚塊的過程，看看燒結產(chan) 品在月麵環境下可不可靠。

燒結完成後，韓文彬對產(chan) 品的強度、熱學性能、耐久性等進行研究，而王宇向則在導師周誠教授的安排下專(zhuan) 注於(yu) 3D打印工藝的進一步優(you) 化。

“月球造房最大的挑戰在於(yu) 極端環境。”周誠列舉(ju) 了月表環境對建造“月壺尊”的5大挑戰。除了晝夜巨大溫差對房子的結構性能影響外，還有散熱規律不同於(yu) 地球的真空環境、時間更長和頻率更高的“月震”、隕石對月表的頻繁衝(chong) 擊、月表重力會(hui) 改變材料與(yu) 結構的受力狀態等不利因素。

團隊最初設想采用兩(liang) 種方式在月表建造“月壺尊”。一種采用3D打印施工，先在月表用注漿加固法打地基，然後在地基上打印結構，穹頂采用氣囊放置法固定，再在氣囊上打印穹頂，最終打印成型；另一種方式主要采用機械臂拚裝施工，將太陽能或者激光燒結好的月壤磚通過機械臂一塊塊拚接起來，並提前做好“月壺尊”穹頂。

兩(liang) 種施工方式各有優(you) 勢。3D打印需要從(cong) 地球上攜帶黏結劑到月球上去，一般黏結劑的重量占到整個(ge) 建築材料10%到15%。“假若‘月壺尊’；有20噸，那麽(me) 3D打印至少需要2噸以上的黏結劑。”韓文彬說，2噸黏結劑加上300千克的3D打印設備，總共2.3噸材料送往月球，合計需要費用154億(yi) 元人民幣，每平方米建築成本8.5億(yi) 元人民幣，遠遠高於(yu) 地麵建築成本。

使用機械臂試驗完成月壤磚的拚裝。國家數字建造技術創新中心供圖

機械臂拚裝施工則需要用高能束（太陽能或者激光）燒結月壤，鋪一層月壤燒結一次，如此往複，直到“月壺尊”全部拚裝成型。好處是建造成本相對便宜，隻需要機械臂和燒製設備，比3D打印送往月球的材料要輕，建造成本也降低。但是這種施工風險較高，很難克服月表溫差影響，容易造成結構變形。

周誠介紹，國外建造月麵基地的技術體(ti) 係是3D打印。這個(ge) 工藝可以建造各種形狀的月球基地結構，但3D打印是個(ge) 連續過程，一旦打印過程出現被打印結構破損開裂的情況，整個(ge) 結構就失效了。一次性成型的風險很高，同時耗能太大。

他們(men) 團隊借鑒中國傳(chuan) 統砌築和榫卯連接方式，提出利用月壤燒結出帶有榫卯結構的月壤磚，再進行拚裝建造，通過燒結月球磚把一次性成型的風險分散掉，然後由機器人砌築，同時用3D打印加強連接來完成結構，避免結構變形。

丁烈雲(yun) 團隊最後將兩(liang) 種施工方案融入一種名為(wei) “月蜘蛛”的機器人身上。周誠說，“月蜘蛛”屬於(yu) 3D打印機器人，遠看像蜘蛛，上部分是混聯機械臂，下部分是多足平台。按照設計要求，機械臂有200千克，底盤有500千克，施工時機械臂也可換成3D打印機。地麵打印“月壺尊”和月麵打印的步驟是一樣的，不同的是施工環境差異，月麵施工需要將結構和材料一體(ti) 考慮。

王宇向也向記者透露了降低成本的設想。他說，占比10%至15%的黏結劑是否可以減少到10%以內(nei) ，強度依然不變；機械臂拚裝施工可以設計一個(ge) 更為(wei) 輕質的設備減小地月運輸成本。

利用月球自身材料建造，會(hui) 大大降低成本，國外也是這條路徑。周誠說，“在月球上造房子，不一定是我們(men) 這一代就能完成的事，但未來會(hui) 有人解決(jue) 這個(ge) 問題。月球基地建造的研究也可以催生出新的技術和業(ye) 態，如3D打印建造、機器人砌築等。”

沒有將設想停留在紙麵

帶領團隊說幹就幹

“月壺尊”有夾層結構。記者楊佳峰　攝

建造月麵基地的設想起始於(yu) 2015年。當時，專(zhuan) 注於(yu) 數字建造研究的丁烈雲(yun) 院士在研究中發現，“建築轉型升級最重要的一個(ge) 方麵就是3D打印，而在月麵打印基地的設想是一個(ge) 很自然的想法。”一些建築景觀或者小型構築物采用人工往往沒辦法去做，而采用3D打印則很容易完成，這讓丁烈雲(yun) 院士敏銳意識到無人的3D打印隻有在極端環境才能發揮價(jia) 值。極端環境在哪？他首先想到的是地外極端環境，例如在月球或者火星上。他說，“這是很自然的想法，而不是突發奇想。”

丁烈雲(yun) 院士沒有將設想停留在紙麵，瞄準月麵基地建造帶領團隊說幹就幹。“當時是我們(men) 自己研究，自己投入。”周誠向記者回憶，他們(men) 開啟這個(ge) 項目的研究後，丁烈雲(yun) 院士帶領他們(men) 去有關(guan) 部委對接，對方都很“吃驚”。

中國探月工程總設計師、中國工程院院士吳偉(wei) 仁關(guan) 注到這個(ge) 科研項目，認為(wei) 在月麵打印基地的設想——“輕量化可重構月麵建造方法研究”屬於(yu) 基礎性研究，很有價(jia) 值。

科技部2021年底將“輕量化可重構月麵建造方法研究”列入重點研發計劃，成為(wei) “工程科學與(yu) 綜合交叉”的重點專(zhuan) 項。華中科技大學成為(wei) 該項目的首席科學家單位。

“月麵基地建造工程化是一個(ge) 長遠的目標，目前按照課題目標，我們(men) 是有信心實現的。”丁烈雲(yun) 告訴記者，目前課題項目還有一係列的問題要解決(jue) ，比方說打印好了“月壺尊”以後裏麵充氣設施如何工作、建造“月壺尊”的月麵具體(ti) 選址問題等，好多問題都需要解決(jue) 。

“目前我們(men) 所做的就是從(cong) 0到1的探索，不能說馬上就能使用，這是一個(ge) 相對長遠的規劃。通過進一步月球勘探，或許會(hui) 取得更多資料，說不定未來會(hui) 變更技術路線，或者采用更新的技術路徑來建造月球基地。”丁烈雲(yun) 說。