火星基地建設(shè)新曙光：火星壤纖維研究取得重大突破

作者段躍初 黃艷紅

近日，中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所發(fā)布一項令人矚目的研究成果，為火星基地建設(shè)帶來新的希望與可能。科研人員成功以地球玄武巖模擬火星壤，并制備出連續(xù)模擬火星壤纖維，這一成果預(yù)示著未來人類有望在火星上就地取材建設(shè)基地。相關(guān)研究論文已發(fā)表于國際期刊《交叉科學(xué)》。

盡管火星距離地球極為遙遠(yuǎn)，最近時約5500萬公里，最遠(yuǎn)可達4億公里，但人類對移居火星的憧憬與探索從未停歇。近年來，航天技術(shù)的迅猛發(fā)展讓人類登陸火星不再是遙不可及的夢想，火星基地建設(shè)也隨之成為國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點。然而，高昂的太空運輸成本成為建設(shè)火星基地的巨大障礙，將建筑材料從地球運往火星幾乎是一項無法完成的任務(wù)。因此，就地取材成為未來火星基地建設(shè)的關(guān)鍵所在。

2019年，新疆理化所研究團隊著眼于深空領(lǐng)域，以火星基地建設(shè)對高性能增強體材料的需求為出發(fā)點，與中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所、香港中文大學(xué)（深圳）等單位合作，開啟了利用火星壤制備連續(xù)纖維并用于建設(shè)火星基地可行性的探究之旅。他們發(fā)現(xiàn)地球上廣泛存在的玄武巖在化學(xué)成分和礦物相組成上與火星壤極為相似。雖然目前人類尚未獲取火星壤實物，但基于玄武巖能通過熔融拉絲形成纖維的原理，推測成分相近的火星壤也具備制備成纖維的可能性。這一理論發(fā)現(xiàn)為后續(xù)研究奠定了堅實基礎(chǔ)。

玄武巖是火山噴發(fā)出的巖漿在地表冷卻凝固后形成的巖石，具有致密狀或泡沫狀結(jié)構(gòu)，在我國分布廣泛。它因其堅硬、耐腐蝕的特性，常被用作鋪路石。而玄武巖纖維是以天然玄武巖礦石為原料，經(jīng)過多道工序制成的絲狀材料，是我國重點發(fā)展的四大高性能纖維之一。長期以來，馬鵬程帶領(lǐng)的科研團隊在玄武巖分布數(shù)據(jù)平臺搭建、熔體成纖技術(shù)、浸潤劑配方設(shè)計與優(yōu)化等領(lǐng)域持續(xù)深耕，積累了豐富的經(jīng)驗和技術(shù)，為火星壤纖維的研究提供了強有力的理論和技術(shù)支撐。

科研人員以地球玄武巖為原料模擬火星壤，采用熔融拉絲技術(shù)成功制備出連續(xù)模擬火星壤纖維。實驗中發(fā)現(xiàn)，模擬火星壤在1360攝氏度時可完全熔融，從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，隨后通過鉑—銠合金拉絲漏板，在機器高速拉制下形成連續(xù)纖維。在不同成纖速度下獲得的纖維具有不同特性，較低成纖速度下制備的纖維原子結(jié)構(gòu)更致密，力學(xué)性能更好，更能抵御外界破壞；隨著成纖速度提高，纖維的拉伸強度和拉伸模量呈下降趨勢。此外，團隊成員還從理論上深入分析了火星低重力、特殊大氣等環(huán)境條件對纖維成纖過程及性能的影響，為未來在火星實際環(huán)境中的應(yīng)用提供了理論參考。

單根模擬火星壤纖維直徑僅為頭發(fā)絲的三分之一，但其強度卻是同等直徑鋼纖維的兩倍，同時還具備耐腐蝕、耐極端溫度等優(yōu)異特性，無疑是建設(shè)火星基地的理想建材。然而，纖維不能單獨作為建材使用，如同鋼筋結(jié)構(gòu)需要與混凝土等基體融合一樣。多根火星壤纖維合并成一股后，浸入浸潤槽與基體融合，可制作成建筑材料，再借助3D技術(shù)打印出特定形狀的建筑部件。在火星上，基體制備也可實現(xiàn)就地取材，通過添加黏合劑或施加高壓，能將松散的火星壤轉(zhuǎn)化為相對穩(wěn)定的固體材料。這種材料單獨使用強度不高，但加入火星壤纖維后，可形成高強度的增強復(fù)合材料，為火星基地建設(shè)提供了可靠的材料解決方案。

我國天問三號任務(wù)計劃在2028年前后實施兩次發(fā)射任務(wù)，實現(xiàn)火星樣品返回地球，這一消息讓科研團隊備受鼓舞，也讓他們看到了火星壤研究的廣闊前景。近年來，馬鵬程帶領(lǐng)的科研團隊不斷挖掘玄武巖纖維的潛力，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。例如，將玄武巖纖維和高分子基體結(jié)合，可用于制造坦克、艦船、飛機的外殼；利用玄武巖纖維含有的金屬元素，成功制備出導(dǎo)電纖維材料，拓展了其在電磁屏蔽等領(lǐng)域的應(yīng)用；將玄武巖纖維與納米纖維素纖維復(fù)合，研發(fā)出環(huán)保型高效PM0.3空氣過濾材料，該材料具有卓越的機械強度、耐高溫和耐火性能，PM0.3初始過濾效率超99.99%，經(jīng)180攝氏度高溫處理后，對PM0.3的過濾效率仍可保持在92%以上。

雖然要真正實現(xiàn)在火星上“造房子”的夢想還需要時間，但新疆理化所的這項研究成果已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，為未來火星基地建設(shè)指明了方向。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，我們有理由相信，在不久的將來，人類能夠在火星上成功實現(xiàn)就地取材建設(shè)基地的目標(biāo)，開啟宇宙探索的新紀(jì)元。這一研究成果不僅是我國航天科技領(lǐng)域的重大突破，也為全球火星探索和基地建設(shè)提供了寶貴的經(jīng)驗和借鑒，讓我們共同期待那一天的早日到來。