[科普中國(guó)]-用航天員的尿液在月球上建基地，有內(nèi)味了

地球人探索星辰大海的夢(mèng)想從未停歇，在地外空間建造行星基地是我們探索、勘測(cè)更廣闊的地外空間的墊腳石。中國(guó)國(guó)家航天局、美國(guó)宇航局（NASA）、歐洲航天局（ESA）都計(jì)劃著在未來(lái)數(shù)十年內(nèi)建造月球基地。

月球基地概念圖（圖片來(lái)源：https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2018/11/Future_Moon_base）

在月球上建設(shè)基地分兩步：一、準(zhǔn)備建筑原材料；二、將建筑材料組建成基地。

看上去很簡(jiǎn)單，但是月球不比地球，環(huán)境惡劣：強(qiáng)輻射、極端高溫，甚至可能會(huì)時(shí)不時(shí)掉下一顆隕石，想存活必須得建個(gè)強(qiáng)大的堡壘。在地球上建造一個(gè)基地尚且需要耗費(fèi)大量人力、物力，更何況是在環(huán)境惡劣的月球上。

在月球上建基地，人力問(wèn)題怎么解決？

以目前的人類(lèi)技術(shù)，將一個(gè)人送上月球，容易，但是要將一大批人送上月球，則不簡(jiǎn)單，并且需要耗費(fèi)大量的財(cái)力物力。

人手不足的問(wèn)題，有沒(méi)有高科技解決方案呢？

有的！3D打印技術(shù)。

3D打印是增材制造的俗稱(chēng)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。

3D打印的手辦模型（圖片來(lái)源：https://www.printplaygames.com/product/3d-printed-miniatures/）

3D打印的工藝品（圖片來(lái)源：https://www.kateblacklock.com/3d-printed-ceramics/）

那么3D打印技術(shù)建造房子可行嗎？

可行，而且么3D打印技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。中國(guó)蘇州工業(yè)園區(qū)一棟面積達(dá)1100平方米的別墅創(chuàng)造了全球首個(gè)帶內(nèi)裝外裝一體化3D打印的紀(jì)錄。

3D打印不僅高度自動(dòng)化，節(jié)省人力，還支持遠(yuǎn)程操控，從理論上來(lái)說(shuō)完全可以在航天員到達(dá)月球之前先發(fā)射3D打印機(jī)并制造工具以及基礎(chǔ)設(shè)施。

目前，多國(guó)已經(jīng)提出用3D打印在月球上建造基地的想法。比如，ESA就提出用3D打印的方法混合月球表面的浮塵、水等來(lái)建造月面建筑。俄羅斯也計(jì)劃使用月球塵?；蝻L(fēng)化層作為原料，利用3D打印技術(shù)建造一個(gè)月球基地。

月球基地概念圖

https://sputniknews.com/science/201812011070300348-russia-moon-base-lunar-exploration/

未來(lái)的月球基地可以用3D打印機(jī)建造，這種打印機(jī)可以混合月球表面的浮土、水和航天員的尿液等材料。圖片來(lái)源：ESA, Foster and Partners

月球基地概念圖http://worldbuilding.stackexchange.com/questions/39427/do-we-actually-have-the-technology-for-a-permanent-moon-outpost

技術(shù)問(wèn)題得到解決，我們?cè)賮?lái)說(shuō)說(shuō)材料問(wèn)題。

俗話(huà)說(shuō)，巧婦難為無(wú)米之炊，建造離不開(kāi)建筑材料，那么問(wèn)題來(lái)了：建筑材料怎么解決呢？

月球上的引力是地球上的六分之一，建筑材料的結(jié)構(gòu)力學(xué)與地球上的不同，而且月球溫差極大，溫度的極端變化也會(huì)影響建筑強(qiáng)度；更何況，月球上還有比地球上的地震更高頻的“月震”，這使基地建造對(duì)建筑原料的要求比較高。

基地建設(shè)原材料是否可以在月球上就地取材？

卡塔赫納理工大學(xué)（穆?tīng)栁鱽啠┙淌诶?？帕米斯解釋說(shuō)：“要制造用于月球基地建造的聚合物，可以原位資源利用，利用月球表面的土壤（來(lái)自月球表面的松散物質(zhì)）和一些地區(qū)冰中的水”，

水是月球表面非常寶貴的資源，且不易獲得，月球上的水主要以氣態(tài)水和冰態(tài)水的形式存在。從已知的數(shù)據(jù)來(lái)看，到底有多少水冰，如今還是未知數(shù)。

即使水冰數(shù)量足夠多，要從-240℃左右、幾公里深、伸手不見(jiàn)五指的深坑中，將水冰加熱轉(zhuǎn)化成水，再收集利用也很難。比如，用什么裝置加熱？加熱過(guò)程需要消耗多少能量？能源如何解決？運(yùn)輸問(wèn)題又如何解決？因此使用高需水量的建筑材料幾乎是不可能的。

2014年有學(xué)者提出了一種用Sorel水泥（Sorel水泥，又稱(chēng)之為玻鎂板，是將氯化鎂、氧化鎂、水組合在一起生成的膠凝材料，具有凝結(jié)快、強(qiáng)度高、粘接力強(qiáng)、密度小、PH值低、可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)），在月球表面施工的3D打印工藝。不幸的是，該方法需要大量的消耗品（化學(xué)品和水）才能生產(chǎn)粘合劑。

從地球上運(yùn)水是否可行？

我們先來(lái)算算成本。從地球到太空運(yùn)輸約0.45千克的成本約為10,000美元，也就是七萬(wàn)多人民幣。如果要運(yùn)輸建造一座基地的水，成本無(wú)法想象。

所以研究人員想到了用航天員提供的原材料，例如尿液。

近日，歐洲研究人員發(fā)現(xiàn)，尿液中的尿素可以用作結(jié)構(gòu)混凝土中的增塑劑。挪威、西班牙、荷蘭和意大利的科學(xué)家與ESA合作進(jìn)行了幾次實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證尿素作為增塑劑的潛力。研究發(fā)現(xiàn)，尿素能夠摻入混凝土中以軟化初始混合物，并使其在硬化之前更柔軟。

增塑劑是一種能減低高分子化合物玻璃化溫度和熔化溫度，改進(jìn)膠層脆性，提高融熔流動(dòng)性的化學(xué)物質(zhì)。增塑劑添加到聚合物中，分布在大分子鏈之間，能降低分子間作用力，使聚合物粘度降低，柔韌性增強(qiáng)。

一般混凝土的含水量越高，其流動(dòng)性及加工性越好。但在混凝土有足夠的水分時(shí)，混凝土凝固后的強(qiáng)度和含水量恰成反比。因此若要混凝土有高強(qiáng)度，混凝土的水量不能過(guò)多，而增塑劑可以在不影響混凝土的加工性的條件下減少其含水量（因此稱(chēng)為減水劑），同時(shí)提升混凝土的強(qiáng)度。

增塑劑主要有脂肪族二元酸酯類(lèi)、苯二甲酸酯類(lèi)（包括鄰苯二甲酸酯類(lèi)、對(duì)苯二甲酸酯類(lèi)）、苯多酸酯類(lèi)、苯甲酸酯類(lèi)、多元醇酯類(lèi)、氯化烴類(lèi)、環(huán)氧類(lèi)、檸檬酸酯類(lèi)、聚酯類(lèi)等多種。目前世界上已經(jīng)研制和生產(chǎn)了上千種增塑劑，應(yīng)用較多的有300～400種，我國(guó)生產(chǎn)的塑化劑約有100～110種。用于建筑的混凝土用的增塑劑主要是聚羧酸系化合物。

在奧斯福德大學(xué)學(xué)院（挪威），研究人員使用ESA開(kāi)發(fā)的類(lèi)似于月球巖石的材料，分別加入尿素和各種增塑劑，再使用3D打印機(jī)制造了各種“泥漿”圓筒，打印出各種基建樣本，并比較它們的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻有尿素的樣品形狀幾乎保持穩(wěn)定，即使加熱到80攝氏度，甚至在模擬月球上8次凍融循環(huán)后，測(cè)試樣品的塑性甚至?xí)鰪?qiáng)。

利用尿液建造月球基地，是不是很神奇？

畢竟，在資源有限的條件下，各種能利用的都是寶貴的資源啊。未來(lái)我國(guó)月球基地的建造也少不了要原位資源利用，屆時(shí)各種黑科技都要七十二般武藝樣樣亮出來(lái)，讓我們拭目以待吧！

參考文獻(xiàn)：

Shima Pilehvar et al, Utilization of urea as an accessible superplasticizer on the moon for lunar geopolymer mixtures, Journal of Cleaner Production (2019). DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.119177