月壤造砖 打印筑城 月球上打造「家园」｜星岛教室

「先安居，后乐业」是人类一直生活的定律，从远古洞穴到现代高楼大厦，居所的演变铭刻着文明的足迹。当我们将注意力投向384399公里外的月球，「居所」的意义不仅是居住及容身之所，更是维持生命的关键系统，一个安全稳固的居所是人类在外太空的生命方舟。如何在月球打造「家园」，是人类将来能够定居在月球及其他星球的重要课题。

月球建屋大挑战

月球的极端环境与地球截然不同，在月球建屋须克服重重难关。

1. 极端温差：月球表面的昼夜温差非常惊人，阳光直射时可以高达127°C，而入夜后则骤降至-173°C。如此剧烈的热循环，建筑材料须具备超凡的热稳定性，否则极容易因反复膨胀收缩而裂开失效。

2. 辐射危机：月球近乎真空，且缺乏地球的大气层及磁场作屏障，来自太阳的高能粒子和宇宙射线可以长驱直入。因此建筑物须具备高效的辐射屏蔽能力，否则人类将冒上细胞损伤与癌症的风险。

3. 月震威胁：月球内部活动会引发月震。虽然其最大规模约黎克特制5.5级（小于强烈地球地震），但震动持续时间可长达数小时（远超地球地震的数十秒），加上月壳较脆弱，震波传递更远，对建筑结构造成的累积破坏力不容小觑。

4. 建材短缺与真空环境：月球上缺乏水泥、木材、钢筋等地球常见的建材。若从地球运输，估算运送1公斤物资至月球，耗资可达数十万元，成本十分高昂。此外，真空环境对建筑物的气密性要求严苛，必须有效防止空气泄漏。

5. 低重力影响：月球重力仅地球六分之一，深切地影响建筑结构的稳定性与基本施工方法。低重力亦会改变人类活动模式及内部空间布局，以及影响空气流通及水循环等系统的设计。

6. 能源挑战：月球主要能源的来源为太阳能，但月球昼夜各长达约14个地球日，意味着建筑物必须配备强大的能源储存系统，才能在漫长月夜中持续供电。

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原位资源利用（ISRU）

面对运输成本与环境限制的双重夹击，「就地取材」成为摆脱困境的关键。科学家因此提出「原位资源利用」（ISRU）策略，希望充分使用月球资源，包括月壤、太阳能及矿产等，直接在当地生产建筑构件，以摆脱对地球运输的依赖，大大降低成本，使其更具可持续性和可行性。

真空淬炼「月壤砖」

2024年11月16日，「天舟八号」货运飞船将一批特殊的「砖头」送入中国太空站。这是由中国科研人员依据真实月壤成分，模拟烧制的「月壤砖」，标志着月球就地建造的重要一步。中国的「月壤砖」研究奠基于「嫦娥」探月工程的丰硕成果。2020年12月，「嫦娥五号」带回1731克珍贵月壤样本。科学家分析发现，覆盖月表的月壤是亿万年陨石撞击与太阳风作用的产物，主要由矽酸盐、氧化铁、氧化铝、氧化钙，以及少量金属及玻璃颗粒组成。

国家数位建造技术创新中心周诚教授指出，「月壤砖」是未来月球建筑的潜力材料。这种砖采用榫卯结构设计，密度与普通砖相当，但其抗压强度却超过普通红砖或混凝土砖的3倍，达到100MPa（相当于每平方厘米可承受1吨多重量）。为了适应月球的真空环境，研发团队采用「真空烧结」技术：将模拟月壤压入模具后抽真空，再以电磁感应产生的热辐射加热成型。烧制一炉真空模拟「月壤砖」约需24小时，科学家展望未来直接在月球上利用菲涅尔透镜聚焦太阳光，产生1100°C高温来就地烧结月壤成砖。月球长达约14个地球日的白昼周期，为太阳能烧结方案提供了得天独厚的条件。

此次送入太空站的「月壤砖」，严格按照月壤样品成分，模拟配制烧结而成。样品包含3块样板，每块内嵌74块小样板（片状、柱状两种形态，5种不同模拟成分），它们肩负为期3年的太空实验使命，将在太空站验证3大关键性能，包括长期力学稳定性、温度循环耐受性（热学性能）及辐射屏蔽效能。首块实验样板预计于2025年底返回地球，其宝贵数据将为优化真实月球建筑方案提供关键数据。

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3D打印：月壤为墨

相较于烧结砖块，另一项备受瞩目的主流技术是直接以月壤为「墨水」的3D打印技术。3D打印技术同样使用ISRU理念，利用激光束或微波加热，使月壤颗粒熔化（或添加少量黏结剂），再通过精确的逐层堆积（增材制造），直接构建出复杂几何形状的建筑物。这种方法不仅高效灵活，更能一体成型，可建出具优异辐射屏蔽性能的穹顶等结构。

华中科技大学的科研团队已在实验室利用模拟月壤打印出名为「月壶尊」的建筑雏形。其独特的蛋壳状椭圆形结构，巧妙地利用曲面力学特性，实现了毋须内部承重梁柱的自主支撑设计，展示了3D打印技术在月球建屋计划的巨大潜能。

月球家园的展望

随着关键技术的突破与验证，月球家园的蓝图正逐渐清晰。未来可能聚焦于以下发展方向。

1. 自动化与机械人建筑：具备AI（人工智能）的机械人将成月球建设主力，它们可在恶劣环境下继续执行开采月壤、制造建材及精确施工的任务。

2. 综合生态系统：未来的月球基地绝非简单避难所，而应是自给自足的小型生态圈，整合高效的水及空气循环系统，配合食物生产设施及可靠的可再生能源系统，为人类长期驻留提供保障。

3. 太空与地球的深度互联：高速可靠的深空通讯网络将是月球基地的命脉。月球居所必须能与地球保持紧密联系，实现数据实时共享，精准协作与互相支援，才能继续人类宇宙探索的工作。

从「嫦娥五号」带回的月壤，到「天舟八号」承载「月壤砖」奔向太空，人类正脚踏实地把看似平凡的「月壤」，变成通往星际文明的坚实基石。在月球建家园已从科幻小说的情节，悄然迈入指日可待的工程。

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小思考，大智慧

1. 除中国之外，还有哪些国家正在研究月球建屋计划？

2. 有哪些国家正开始研究具备AI的机械人以便在月球表面建屋？

参考答案

1. 例如美国太空总署（NASA）于2020年10月发布了与3D列印技术公司合作的Olympus计划，旨在开发一个利用月球表面材料进行3D打印的月球基地系统，实现人类在月球上建立永久基地的目标。

2. 例如日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）于2025年3月公开展示搭载人工智能技术的月表探测与作业机械人。机械人利用AI（人工智能）改变形状，手臂和轮胎等零件可自行组装，并根据搬运或组装物体等不同用途转换成不同形态，目标是在2050年之前在月球表面建造出适合人类居住的房屋。

本栏逢周四刊登，由教育评议会邀请资深中小学老师、校长及大学讲师撰稿，旨在为学生提供多元化的STEAM学习材料，引发学生探求知识的兴趣，将学习融入生活，培养学生的世界观、敏锐的触觉、积极学习的态度。

文：中华基督教会协和小学（长沙湾）副校长郑俊杰、中华基督教会协和小学（长沙湾）老师王溢濠