地聚合物基月球混凝土及其3D打印原位建造设想

郭晓潞，熊归砚，王志浩

（1.同济大学 材料科学与工程学院；2.先进土木工程材料教育部重点实验室（同济大学）：上海201804；3.北京卫星环境工程研究所，北京100094）

0 引言

美国航空航天局（NASA）和欧洲航天局（ESA）均有实施载人登月并以月球为跳板逐步开展深空探测的计划[1]。我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要》明确将载人航天与探月工程列入国家重大科技专项；《中国至2050年空间科技发展路线图》（2009）明确提出，中国将在2030年前后实现载人登月，建立月球基地。月球基地不仅可以作为能源开发基地、农业生产基地、空间制药基地，也被视为“深空中转站”，还可以建设成为深空探测空间站和军事战略基地，具有十分重要的战略地位。因此，建造月球基地必将成为我国未来深空探测的重要空间发展目标之一[2]。

地-月间运输成本高昂，月球基地建设所需的大量原材料无法完全依靠从地球获取，而月球自身具有丰富的资源储备，因此月球资源原位利用是月球基地建立、运行和应用的首选及保障。空间原位资源利用（in situ resource utilization,ISRU）涉及原位资源的加工技术及相应设备。在月球ISRU 体系中，利用月壤原位成型进行月球基地建设具有重要地位[3]。广义的月壤（lunar regolith）是指覆盖在月球基岩之上的所有月表风化物质；狭义的月壤则是根据月球样品的粒径来定义的：直径≥1 cm 的团块称为月岩（lunar rocks）；直径＜1 cm 的颗粒称为狭义上的月壤（lunar soil）；直径＜20μm的颗粒尘则称为月尘（lunar dust）[4-6]。月壤成型技术按照成型条件及特点可以分为堆积成型、烧结成型、熔融成型、模压成型及黏结成型[3]。其中，堆积成型不需要对月壤进行额外的加工处理，最易实现，但材料和结构的后续服役性能难以保证。烧结成型、熔融成型和模压成型均属于模板成型法，且对模板形状具有多样性要求；但月面苛刻环境限制了模板的月球原位生产，高昂的运输成本又限制了模板的地球补给，因此，模板成型法的使用空间有限。黏结成型技术主要依靠3D打印装备实现，是一种无模板成型方法，在月球基地建造过程中具有独特优势，尤其是对于复杂建筑结构的实现。因此，3D打印成型技术是实现月壤资源原位利用及月球基地建设的未来发展方向。

月球基地建造材料的研发和应用，受到材料自身性能和原位获取能力及其可加工处理能力的限制，成为月球基地建设的技术难点。本文从建筑材料和建造方式两方面考虑，兼顾材料的施工性能和服役性能，提出将地聚合物材料用于月球基地工程建设的构想，探讨利用月壤制备地聚合物基月球混凝土以及3D打印建造方式的可行性，并就实现该设想涉及的研究方面做出展望。

1 月球基地建设概述

月球基地建设需要考虑月球环境因素、月球基地建筑结构以及月球基地建筑材料等多个方面。

1.1 月球环境因素

月球环境因素[4]主要包括：月球表面处于高真空、微重力（g/6）状态；月球上的昼夜交替周期是14天的白昼+14天的黑夜，且无大气层保护导致昼夜温差很大——白昼环境温度最高达到150℃，夜间温度最低达到-180℃；此外，月球上存在银河宇宙射线和太阳高能粒子共同构成的强辐射环境。

暴露在月面的建筑物，其建筑结构和材料性能受到月球高真空、极端温度变化和强辐射的考验，复杂建筑结构中相同组分材料在不同结构位置的温度差异不容忽视；高速运动的小陨石会对建筑结构有破坏性影响。同时，建造设备的可靠性也与月球环境紧密相关。因此，月球环境因素对月球基地建设具有重要影响。

1.2 月球基地建筑结构

月球基地按主体结构的制造地点及建造方式可分为月面组装式和月面建筑式[7]。

月面组装式是指主体结构在地面制造，然后通过航天器运送至月球，在月面进行组装，可根据材料特点分为刚性舱组装式和柔性舱组装式。刚性舱组装式通常是金属材料结构，组装简单、技术成熟，但主体结构质量大，因此建筑规模受到航天器运载能力和发射次数的限制。柔性舱组装式采用可展开结构，在地-月运输过程中处于折叠状态，到月面后再展开组装，故对结构尺寸的限制相对少些，但对材料的高延性、耐用性要求较高。

月面建筑式最大的特点是建筑材料主要来源于月球资源，不受地-月运输的限制，但需考虑基地选址，突破矿石开采和材料加工等关键技术，开展建筑材料和建造设备等系列研究[8-9]。

1.3 月球基地建筑材料

月球基地建设仅仅依靠航天器从地球运输大量原材料至月球是极不现实的；结合月壤资源化技术，采用月面建筑式建筑结构是月球基地建设的必然发展趋势。各种月球基地建筑材料的优势和局限见表1。综合比较原位资源利用效率和环境适应能力，月球混凝土（lunar concrete）是月球基地建筑材料的理想选择。

表1 月球基地建筑材料Table 1 Comparison among construction materials for lunar base

2 地聚合物基月球混凝土的可行性研究

2.1 月壤地聚合物材料

地聚合物是硅铝质原材料经碱激发而生成的以硅铝四面体连成的三维网状无定形无机聚合物。近年来，地聚合物材料因其优异的物理、力学性能而受到广泛关注[10]。高硅铝组分的月壤为月球上地聚合物的原位制备提供了可能。

根据Glukhovsky 反应机理模型[11]，地聚合反应过程分为解构-重构、重构-凝聚、凝聚-结晶几个阶段（参见图1(a)）：在碱性条件下，硅铝源中硅铝相结构解体，逐渐形成由硅酸盐、铝酸盐及硅铝酸盐组成的复杂体系；混合溶液中硅铝酸盐饱和时体系开始出现凝胶化反应，形成低聚态的凝胶，并随着凝聚作用逐渐形成网络状结构；凝胶化阶段后，体系中低聚态的胶体之间相互交联形成地聚合物的三维网络状结构；随后，体系进一步脱水聚合形成地聚合物硬化体。地聚合物的经验式为Mn[-(SiO2)z-AlO2]n·wH2O，其中：M指碱金属离子（如Na+、K+等）；n为聚合度；z为Si、A l 的物质的量之比（z=1,2,3）；w为含有结合水的个数。网络状结构的基本结构单元有3种，分别为硅铝氧链（PS）型（-Si-O-A l-O-）、硅铝硅氧链（PSS）型（-Si-O-Al-O-Si-O-）和硅铝二硅氧链（PSDS）型（-Si-O-A l-O-Si-O-Si-O-）。以PSS型结构的生成为例，由其反应方程式[12]（见图1(b)）可以看出，在碱性条件下，单体缩聚生成低聚体，进一步缩聚生成三维网络结构大分子。结合反应方程式，有学者认为，水并没有实质性参与地聚合反应，只是反应载体[10]。

图1 Glukhovsky 反应机理模型及地聚合反应方程式Fig.1 Glukhovsky model (a)and geopolymer reaction equations(b)

2.1.1前驱物（硅铝质原材料）

地聚合反应过程首先是前驱物中硅铝相的溶出，因此硅铝质原材料的获取是制备地聚合物材料的先决条件。经分析，美国“阿波罗”系列任务中获得的月壤样本的化学组分主要为SiO2、A l2O3、FeOT、CaO、MgO以及Na2O、K2O、TiO2、MnO、P2O5等（见表2），其中硅铝氧化物含量占60%以上，表明月壤具备作为前驱物制备地聚合物材料的基础。Lin 等[13]认为，月壤组分与粉煤灰组分类似，且具有更高的活性。

表2 月壤和类月壤材料的化学组成Table2 Chemical compositionsof lunar soiland lunar soil-likematerials

2.1.2碱激发剂

碱在地聚合反应过程中的作用在于碱激发剂溶液提供了高浓度氢氧根离子，促使硅铝质原材料中的硅铝相结构解体。月壤本身不含具有胶凝性能的矿物，但可经过碱激发反应将其转化为具有胶凝性质的材料。碱激发剂主要是“MOH”型和“MOH+M2SiO3”型（其中M 为Na、K、Na+K）。研究表明，适宜的激发剂为Na2SiO3与碱的复合碱激发剂[11]。

2.1.3水

在地聚合反应中，水的作用与其在水泥水化反应中的作用不同。Weng 等[16]发现，水在地聚合反应过程中起到媒介作用。由Glukhovsky 反应机理模型及反应方程式可知，水作为反应物仅存在于溶出阶段，其余阶段均作为生成物存在。Wang 等[10]在实验室搭建了冷凝水循环装置（图2），并在模拟月球环境条件下通过水循环系统收集地聚合物制备过程中的水进行分析，结果表明地聚合物制备过程中98%以上的水是可以重复利用的。

图2 地聚合物的水循环装置Fig.2 Thewater-recycling device for the geopolymer sample

2.1.4地聚合物基月球混凝土

在“硅铝质原材料+碱激发剂+水”基础上引入骨料，具有胶凝性能的材料体系将骨料等胶结在一起形成以月壤地聚合物为胶凝材料的月球混凝土，即地聚合物基月球混凝土。骨料在该混凝土体系中占总体积的70%～80%，可以来源于月壤，且具有特定的粒径分布。若地聚合物也可在月球原位制得，那么制备地聚合物基月球混凝土所需的材料，除了碱需要从地球运输过来，其余90%以上均可从月球获得，保证了较高的原位资源利用率。Montes等[15]认为，若以月壤为前驱物加入骨料制备地聚合物基月球混凝土，且水可以在月球原位获得的话，则地聚合物基月球混凝土的制备只需从地球运载仅为原材料总质量2%的碱激发剂。

综上所述，月壤因其含有较高占比的硅铝氧化物可以作为地聚合反应的前驱物来源，加之其具高活性易被碱激发，为原位制备地聚合物提供了支撑。同时，理论上90%以上的原位资源利用率保证了在月球就地取材原位制备地聚合物基月球混凝土的可能性。

2.2 地聚合物基月球混凝土的环境适应性

对于地聚合物基月球混凝土的环境适应性，主要从力学、耐温差及抗辐射性能等方面来进行综合评价。

力学性能是各种工程结构设计选用材料的主要依据，也是月球基地建设选用建筑材料首要考虑的因素。利用模拟月壤制得的地聚合物材料的抗压强度均在25 MPa 以上[13-15,17]，满足美国建造标准对混凝土结构的最小抗压强度要求[15]。此外，地聚合物基月球混凝土的力学性能还与其成型工艺、养护环境等相关。

月球表面巨大的昼夜温差对月面构筑物的耐温差性能提出了高要求。Wang等[14]用冻融循环试验模拟月球环境的温度变化，在单次冻融试验中，将地聚合物试件置于液氮（-196℃）中0.5 h，然后在25℃下保持0.5 h；经30次冻融循环处理后，试件抗压强度损失约1%，仍可达26.50 MPa，表明30次冻融循环对地聚合物材料的抗压强度影响不大。据此推测，地聚合物材料具有较好的耐温差性能。同时，月球的高真空环境也是对月球基地建筑结构可靠性的一大考验。Wang等[10]通过将地聚合物试件置于60℃的真空环境，用真空处理后试件的强度损失量来评价地聚合物材料的真空稳定性。对于抗压强度为45.53MPa 的火山灰基地聚合物，经24 h 真空暴露后其抗压强度下降了4.83MPa，经24 h 真空+30次冻融循环后其抗压强度下降了5.41MPa。以上表明，地聚合物材料具有良好的真空稳定性和抗冻融循环性能。

月球没有大气层的磁场屏蔽作用，若月球基地不具有抗辐射性能，则月面上的航天员将直接暴露于银河宇宙射线和太阳高能粒子的强辐射环境中。Montes等[15]利用FLUKA 工具，基于蒙特卡罗法，模拟了月壤地聚合物材料的抗辐射性能，结果表明，当400 MeV 高能质子均匀撞击月球基地（见图3）时，50 cm 厚的地聚合物材料可提供足够的屏蔽防护（见图4）。

图3 月球基地建筑结构示意[15]Fig.3 Schematic diagram of the structure of the lunar base

图4 400MeV 质子均匀撞击月球基地的模拟结果[15]Fig.4 The simulation results of 400 MeV protons impacting the lunar base,w ith thickness of structural material being 50 cm (a)and 100 cm (b)

综上，地聚合物基月球混凝土在力学性能、耐真空温差性能以及抗辐射性能等方面均能够有效支撑月球基地建造需求。但上述实验大多是基于单一月球环境因素设计的，对于地聚合物材料在多重环境因素耦合作用条件下的环境适应性需进一步试验验证。

3 地聚合物基月球混凝土3 D打印建造设想

3.1 地聚合物建造工艺

3.1.1成型工艺

地面地聚合物材料常用的成型工艺主要有浇筑成型和压制成型[18]。与浇筑成型相比，压制成型地聚合物具有较低的水固比，需水量较少，整体成型结构更为致密（见图5），试件强度性能较好；加之在月球环境下浇筑成型的搅拌、浇筑过程较难实现，因此压制成型工艺在月面建造中更有优势。

图5 地聚合物试件SEM图[15]Fig.5 SEM imagesof geopolymer samples by casting(a)and pressing (b)

3.1.2 3D打印技术

3D打印技术是一种直接由数字模型制造三维结构的新兴智能建造技术，可增加建筑自由度，将成为月球基地建造方式的研究热点和发展方向。目前，有望用于基地建造的3D打印技术主要有挤出打印和粉末打印2种形式[19]。

1）挤出打印

挤出打印技术通过安装在龙门架上的喷嘴挤出胶凝材料，逐层打印建筑结构。轮廓工艺（contour crafting）是挤出成型中的一项技术，先打印出建筑轮廓，再填充轮廓内部来实现建造（见图6(a)）[20]。Khoshnevis等[21]提出了利用轮廓工艺在月球上就地取材打印月球基地和公路的设想（见图6(b)）。

图6 轮廓工艺打印技术[20]及其应用设想[21]Fig.6 Process of contour crafting and structure by contour crafting

有学者以地聚合物为挤出打印材料开展研究：Panda 等[22]基于可挤出性、形状保持性、可建造性等参数共同表征挤出打印地聚合物材料的性能，以此优选出适当配比，并成功打印出构件（见图7）。此外，纤维[23]、微筋[24]等也被引入挤出打印地聚合物体系，以提升地聚合物打印体的韧性等。

图7 挤出3D打印地聚合物构件[22]Fig.7 Extrusion-based 3D printed geopolymer

2）粉末打印

粉末打印技术是将黏合剂（“油墨”）选择性地沉积到粉末床中，将粉末床上的粉末黏结在一起，从而制造出具复杂几何形状的精确结构。粉末打印工作如图8所示：滚轮（roller）先在底板（build plate）上铺设粉末床（powder bed），再根据打印层厚度要求在粉末床表面铺一层粉末；此时，黏合剂从进料器（binder feeder）输送至打印头（print head），由喷嘴进行喷射；黏合剂将粉末层颗粒黏结在一起，经逐层黏结叠加后可得到高精度的复杂结构构件[25]。

图8 粉末打印工作示意[25]Fig.8 Pow der-based 3D printing process

D型打印技术是粉末打印的典型工艺之一，D型3D打印机（见图9(a)）是意大利工程师Enrico Dini的专利技术，它利用一个可移动打印喷管阵列将黏合剂喷洒至砂质材料，黏结叠加得到建筑构件。D型3D打印机已被证明可在真空环境中正常工作，且已成功利用模拟月壤在大气环境下打印出具有月球基地构件特征的块体结构（见图9(b)）[26]。

图9 D型3D打印机及其打印体[26]Fig.9 D-shape 3D printer (a)and its printed structure (b)

Xia 等[19]利用粉末材料和黏合剂，结合粉末打印技术打印出地聚合物试件（见图10）；并从粒径分布、粉末床表面质量、粉末床孔隙率、黏合剂滴入渗透行为（黏合剂渗透时间、渗透深度及铺展半径）等方面定量评估了地聚合物粉末材料的可打印性能，认为粉末打印地聚合物材料可行。

图10 粉末材料的制备方法和粉末打印所得地聚合物试件[19]Fig.10 The process of preparing geopolymer powder(a)and powder-printed geopolymer (b)

总的来看，无论是采用挤出打印还是粉末打印工艺，地聚合物材料均具有可打印性能。但是，现有研究中前驱物多为粉煤灰、矿渣等工业固体废弃物，以模拟月壤或真实月壤为前驱物的地聚合物的可打印性能需要进一步验证。目前，3D打印地聚合物的研究大多关注于原材料的配比，寻求更优的可打印性能和可建造性能，而对地聚合物打印体的性能尤其是耐久性鲜有报道。另外，目前3D打印地聚合物的研究均在地面环境中开展，虽然D型打印机已被证明可在真空环境下正常工作，但真实月球环境更为严苛。因此，仍需要系统地开展理论研究，建立材料、结构及性能之间的联系，为3D打印地聚合物基月球混凝土提供扎实的理论支持。同时，地聚合物在月球环境条件下的3D打印施工性能及打印体的月球环境适应性需要深入研究，以满足原位建造月球基地的性能要求。

3.2 月壤原位3D打印建造设想

基于以上综述分析，本文提出了地聚合物材料用于月球基地原位建造的初步设想，即在月球上就地取材，充分利用月壤资源，依靠航天器携带少量的碱激发剂，采用3D打印成型技术，期望实现月球基地原位建造（见图11）。

图11 地聚合物材料用于月球基地原位建造的初步设想（墙面结构图引自文献[26]）Fig.11 Diagram of geopolymer material used for in-situ construction of lunar base (structuregraph collected from Ref.[26])

综合以上对利用月球资源研制地聚合物的可能性、地聚合物材料在月球环境下的性能表现、地聚合物材料作为月球基地建筑材料的可行性分析，以及3D打印地聚合物材料的可行性分析，可知：地聚合物基月球混凝土所需原材料90%以上可取自月球原位资源，并在月球环境下具有良好的耐极端环境性能，这为地聚合物材料用于月球基地建造提供了优势与潜能。3D打印地聚合物基月球混凝土研究可从以下3方面展开：

1）月壤特性的研究和模拟月壤的配制

月壤特性的分析是一切与月壤相关科学活动的前提。月球探测任务所取回的月壤样本十分珍贵，故月壤相关研究主要使用月壤模拟物。科学研究任务及目标的不同，对月壤研究的侧重点也不同。比如，用于月面车辆力学试验研究的模拟月壤，侧重于模拟月壤的比重、内摩擦力、承压特性等物理力学特性[27]。模拟月壤的配制应根据科学研究目标的不同有所侧重，使得在地面开展模拟研究的结果能够适用于真实月壤。用于月壤地聚合物材料研究的模拟月壤，应从岩石学和矿物学角度出发，关注月壤的化学成分、矿物组成、粒径分布等特性。

2）面向月球环境的高性能地聚合物材料的研制

高性能地聚合物材料的研制是地聚合物材料用于月球基地建设的前提和基础。高性能地聚合物材料应符合以下3点要求：一是保证原位资源的最大利用率。地-月运输成本高昂，月球基地建筑材料应尽可能使用月球资源，因此地聚合物材料的研制应在保证服役性能的前提下，确定最优配比，争取最大程度地利用月球资源。二是实现3D打印原位建造。3D打印技术是未来月球基地建设工程的发展方向，研制出适用于3D打印的月球基地建筑材料则是必然趋势。从长远来看，要实现地聚合物材料用于月球基地建造的设想，3D打印月壤地聚合物材料的研究极为必要。三是适应月球极端环境。现阶段模拟月壤地聚合物性能的研究多集中于其在单一月球环境因素下的适应性，但真实月球环境是复杂的，因此，未来应注重多重月球环境因素耦合下月壤地聚合物成型体的性能表现，关注微观结构与宏观性能的演变过程。

3）适用于月球环境的3D打印设备研发

打印材料是3D打印技术的物质基础，打印设备是3D打印的技术前提。月球的特殊环境会对设备的可靠性造成影响——高真空环境会引起机构间的运动磨损、黏着、疲劳等；带有静电的月尘会附着在机构的表面，引发机构磨损、卡死等现象[28]。因此，3D打印设备的研发既需要考虑与打印材料的匹配性，又要充分考虑月球环境因素的影响。

4 结束语

本文提出了地聚合物材料用于月球3D打印原位建造的初步设想。从原位利用月壤入手，探讨了地聚合物基月球混凝土作为月球基地建筑材料的可行性及其月球环境适应性。基于挤出打印和粉末打印2种3D打印成型工艺，分别阐述了3D打印地聚合物的可行性，结果表明，3D 打印技术中的轮廓打印工艺和D型打印技术有望用于空间建造。从月壤特性研究、高性能地聚合物研制和3D打印设备研发等方面，展望了地聚合物材料用作月球基地建筑材料的研究方向。但此设想尚处于概念设计阶段，仍需要进一步的理论研究和试验验证。