月壤造磚 打印築城 月球上打造「家園」｜星島教室

「先安居，後樂業」是人類一直生活的定律，從遠古洞穴到現代高樓大廈，居所的演變銘刻着文明的足跡。當我們將注意力投向384399公里外的月球，「居所」的意義不僅是居住及容身之所，更是維持生命的關鍵系統，一個安全穩固的居所是人類在外太空的生命方舟。如何在月球打造「家園」，是人類將來能夠定居在月球及其他星球的重要課題。

月球建屋大挑戰

月球的極端環境與地球截然不同，在月球建屋須克服重重難關。

1. 極端溫差：月球表面的晝夜溫差非常驚人，陽光直射時可以高達127°C，而入夜後則驟降至-173°C。如此劇烈的熱循環，建築材料須具備超凡的熱穩定性，否則極容易因反覆膨脹收縮而裂開失效。

2. 輻射危機：月球近乎真空，且缺乏地球的大氣層及磁場作屏障，來自太陽的高能粒子和宇宙射線可以長驅直入。因此建築物須具備高效的輻射屏蔽能力，否則人類將冒上細胞損傷與癌症的風險。

3. 月震威脅：月球內部活動會引發月震。雖然其最大規模約黎克特制5.5級（小於強烈地球地震），但震動持續時間可長達數小時（遠超地球地震的數十秒），加上月殼較脆弱，震波傳遞更遠，對建築結構造成的累積破壞力不容小覷。

4. 建材短缺與真空環境：月球上缺乏水泥、木材、鋼筋等地球常見的建材。若從地球運輸，估算運送1公斤物資至月球，耗資可達數十萬元，成本十分高昂。此外，真空環境對建築物的氣密性要求嚴苛，必須有效防止空氣洩漏。

5. 低重力影響：月球重力僅地球六分之一，深切地影響建築結構的穩定性與基本施工方法。低重力亦會改變人類活動模式及內部空間布局，以及影響空氣流通及水循環等系統的設計。

6. 能源挑戰：月球主要能源的來源為太陽能，但月球晝夜各長達約14個地球日，意味着建築物必須配備強大的能源儲存系統，才能在漫長月夜中持續供電。

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原位資源利用（ISRU）

面對運輸成本與環境限制的雙重夾擊，「就地取材」成為擺脫困境的關鍵。科學家因此提出「原位資源利用」（ISRU）策略，希望充分使用月球資源，包括月壤、太陽能及礦產等，直接在當地生產建築構件，以擺脫對地球運輸的依賴，大大降低成本，使其更具可持續性和可行性。

真空淬煉「月壤磚」

2024年11月16日，「天舟八號」貨運飛船將一批特殊的「磚頭」送入中國太空站。這是由中國科研人員依據真實月壤成分，模擬燒製的「月壤磚」，標誌着月球就地建造的重要一步。中國的「月壤磚」研究奠基於「嫦娥」探月工程的豐碩成果。2020年12月，「嫦娥五號」帶回1731克珍貴月壤樣本。科學家分析發現，覆蓋月表的月壤是億萬年隕石撞擊與太陽風作用的產物，主要由矽酸鹽、氧化鐵、氧化鋁、氧化鈣，以及少量金屬及玻璃顆粒組成。

國家數位建造技術創新中心周誠教授指出，「月壤磚」是未來月球建築的潛力材料。這種磚採用榫卯結構設計，密度與普通磚相當，但其抗壓強度卻超過普通紅磚或混凝土磚的3倍，達到100MPa（相當於每平方厘米可承受1噸多重量）。為了適應月球的真空環境，研發團隊採用「真空燒結」技術：將模擬月壤壓入模具後抽真空，再以電磁感應產生的熱輻射加熱成型。燒製一爐真空模擬「月壤磚」約需24小時，科學家展望未來直接在月球上利用菲涅爾透鏡聚焦太陽光，產生1100°C高溫來就地燒結月壤成磚。月球長達約14個地球日的白晝周期，為太陽能燒結方案提供了得天獨厚的條件。

此次送入太空站的「月壤磚」，嚴格按照月壤樣品成分，模擬配製燒結而成。樣品包含3塊樣板，每塊內嵌74塊小樣板（片狀、柱狀兩種形態，5種不同模擬成分），它們肩負為期3年的太空實驗使命，將在太空站驗證3大關鍵性能，包括長期力學穩定性、溫度循環耐受性（熱學性能）及輻射屏蔽效能。首塊實驗樣板預計於2025年底返回地球，其寶貴數據將為優化真實月球建築方案提供關鍵數據。

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3D打印：月壤為墨

相較於燒結磚塊，另一項備受矚目的主流技術是直接以月壤為「墨水」的3D打印技術。3D打印技術同樣使用ISRU理念，利用激光束或微波加熱，使月壤顆粒熔化（或添加少量黏結劑），再通過精確的逐層堆積（增材製造），直接構建出複雜幾何形狀的建築物。這種方法不僅高效靈活，更能一體成型，可建出具優異輻射屏蔽性能的穹頂等結構。

華中科技大學的科研團隊已在實驗室利用模擬月壤打印出名為「月壺尊」的建築雛形。其獨特的蛋殼狀橢圓形結構，巧妙地利用曲面力學特性，實現了毋須內部承重樑柱的自主支撐設計，展示了3D打印技術在月球建屋計劃的巨大潛能。

月球家園的展望

隨着關鍵技術的突破與驗證，月球家園的藍圖正逐漸清晰。未來可能聚焦於以下發展方向。

1. 自動化與機械人建築：具備AI（人工智能）的機械人將成月球建設主力，它們可在惡劣環境下繼續執行開採月壤、製造建材及精確施工的任務。

2. 綜合生態系統：未來的月球基地絕非簡單避難所，而應是自給自足的小型生態圈，整合高效的水及空氣循環系統，配合食物生產設施及可靠的可再生能源系統，為人類長期駐留提供保障。

3. 太空與地球的深度互聯：高速可靠的深空通訊網絡將是月球基地的命脈。月球居所必須能與地球保持緊密聯繫，實現數據實時共享，精準協作與互相支援，才能繼續人類宇宙探索的工作。

從「嫦娥五號」帶回的月壤，到「天舟八號」承載「月壤磚」奔向太空，人類正腳踏實地把看似平凡的「月壤」，變成通往星際文明的堅實基石。在月球建家園已從科幻小說的情節，悄然邁入指日可待的工程。

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小思考，大智慧

1. 除中國之外，還有哪些國家正在研究月球建屋計劃？

2. 有哪些國家正開始研究具備AI的機械人以便在月球表面建屋？

參考答案

1. 例如美國太空總署（NASA）於2020年10月發布了與3D列印技術公司合作的Olympus計劃，旨在開發一個利用月球表面材料進行3D打印的月球基地系統，實現人類在月球上建立永久基地的目標。

2. 例如日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）於2025年3月公開展示搭載人工智能技術的月表探測與作業機械人。機械人利用AI（人工智能）改變形狀，手臂和輪胎等零件可自行組裝，並根據搬運或組裝物體等不同用途轉換成不同形態，目標是在2050年之前在月球表面建造出適合人類居住的房屋。

本欄逢周四刊登，由教育評議會邀請資深中小學老師、校長及大學講師撰稿，旨在為學生提供多元化的STEAM學習材料，引發學生探求知識的興趣，將學習融入生活，培養學生的世界觀、敏銳的觸覺、積極學習的態度。

文：中華基督教會協和小學（長沙灣）副校長鄭俊傑、中華基督教會協和小學（長沙灣）老師王溢濠