检查月球土壤以进行月球建筑

大多数人都熟悉宇航员巴兹·奥尔德林（Buzz Aldrin）在月球表面留下的靴印的标志性照片。但是，究竟是什么土壤中留下了著名的“人类一小步”的印记？

这个问题的答案不仅仅是短暂的好奇心——它是美国宇航局阿尔忒弥斯计划的基本知识，该计划旨在在月球上建立一个永久基地。虽然研究人员了解月球土壤的一般构成，但西北大学矿物学家史蒂文·雅各布森（Steven Jacobsen）获得了美国宇航局马歇尔太空飞行中心的资助，以进一步解开可疑尘埃的神秘面纱。

由于从地球带来传统建筑材料的成本高得令人难以置信，美国宇航局与机器人和人工智能公司ICON Technology Inc.合作，探索利用月球自身资源建造月球前哨站的新方法。但是，在ICON能够用月球的土壤建造结构之前，该团队首先需要了解土壤的确切成分，这些成分可能会从一个样本到下一个样本发生巨大变化。

为了表征这些样品，雅各布森正在与他以前的学生凯蒂·库贝（Katie Koube）密切合作，凯蒂·库贝（Katie Koube）现在是ICON的材料科学家，使用西北大学的设施分析各种样品。他们的最终目标是创建一个潜在样本组合物库，该库将用于优化构建过程的参数。

“外星建筑带来了许多挑战，”该项目的首席研究员雅各布森说。“月球的土壤与地球上的土壤不同。在月球上，土壤是由压碎表面的流星体撞击形成的。因此，月球基本上涂上了一层厚厚的粉末。在月球土壤中发现的矿物质和玻璃的类型取决于许多因素。即使在很小的区域内，材料也会有很大的变化。

雅各布森是西北大学温伯格艺术与科学学院的地球和行星科学教授。他还是 Paula M. Trienens 可持续发展与能源研究所和工程可持续性与复原力中心的教职员工。该项目的成员还包括劳拉·加德纳（Laura Gardner）和蒂尔扎·阿博特（Tirzah Abbott），他们是雅各布森实验室的博士候选人。

灰尘的危害

 由于计划更频繁地往返月球，美国宇航局首先需要一个可靠的着陆台。否则，每当月球着陆器与月球表面接触时，它都会扬起破坏性的尘埃，这些尘埃可能会粘住设备并破坏周围的栖息地。

正如地球上的第一块砖块是由陆地土壤制成的一样，月球上的第一块砖块也将是用月球土壤制成的。

“月球上的每一粒尘埃都是锯齿状和棱角分明的，”Koube说。“当你想到地球上的沙粒时，它们是圆形的，因为风化去除了所有这些粗糙的边缘。如果不风化，颗粒会保持凹凸不平和锋利。因此，如果火箭直接降落在月球表面，它会激起磨蚀性尘埃，基本上会喷砂整个区域。

2022 年 11 月，美国宇航局选择 ICON 提供 5720 万美元的赠款，用于开发月球建造技术。该合同建立在美国宇航局和国防部之前为ICON的奥林巴斯项目提供的资金之上，以研究和开发天基建筑系统，以支持计划中的月球探索及其他地区。ICON的奥林巴斯系统旨在成为一个多用途的建筑系统，主要使用当地的月球和火星资源作为建筑材料，以进一步推动美国宇航局和商业组织建立可持续月球存在的努力。ICON已经在使用其先进的3D打印技术在地球上建造房屋。通过在月球上放置基于多用途原位资源利用（ISRU）的月球建筑系统，该团队旨在利用月球资源作为建筑的基石。

“将传统的地球建筑设备和材料送上月球是不可行的，”雅各布森说。“有效载荷太重了。所以，这个计划更实用。就像地球上的第一块砖是用陆地土壤制成的一样，月球上的第一块砖块也将是用月球土壤制成的。

模拟土壤样品

在ICON获得NASA的资助后，2014年毕业于西北大学材料科学和地球与行星科学项目双学位的Koube联系了Jacobsen，以领导样品分析。两人组建了一个团队，与美国宇航局位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心合作，隶属于空间技术任务理事会的月球到火星行星自主建造技术（MMPACT）项目。

月球土壤模拟物的各种样本

在西北大学，分析已经在进行中。Gardner和Abbott目前正在使用各种显微镜技术来分析八种月球模拟物 – 旨在模仿真实事物的人造月球土壤 – 以及合成斜长石，一种脆性的灰白色矿物，是月球岩石的主要成分。然后，该团队将把月球模拟物与从阿波罗任务中收集的实际样本进行比较。

“当然，我们从阿波罗任务中知道月球泥土中有什么 – 而且它是非常异质的（或可变的），”雅各布森说。“我们的工作是预测月球土壤中可能的变化，并想出一种在3D打印机上即时测量它的方法。

到目前为止，研究人员已经注意到月球模拟物之间存在巨大差异。在一些矿物中，该团队检测到氢 – 水的一种成分，在月球上的矿物质中并不丰富。他们还在寻找模拟物中的矿物杂质，这些杂质在月球表面是没有预料到的。然后，团队可以专注于施工过程中更有可能遇到的材料和化学变化。

没有勺子是一样的

在确定真实样品的可变性后，研究人员将探索污垢的成分如何影响机器人建筑中使用的熔化过程。一旦登上月球，ICON基于ISRU的多用途月球建筑系统将舀起月球土壤并熔化用于打印。打印后，熔化的污垢会硬化并冷却成陶瓷材料。

“在地球上，你可以收集粘土并在窑中烧制陶瓷，”雅各布森说。“但是月球土壤的性质是这样的，它需要首先融化。月球泥土中的不同矿物以不同的速度熔化，因此3D打印过程对矿物学的变化非常敏感。

当然，没有样品是相同的。一勺月球污垢的熔点可能与下一勺不同。3D打印技术需要足够灵活，才能知道如何处理这些细微的差异。这就是 Jacobsen 的样本库发挥作用的地方。通过使3D打印机能够为所有潜在的成分做好准备，它可以对每个勺子进行诊断，然后调整其激光参数以进行加热和冷却。

“如果不了解土壤的特性，就很难理解最终印刷材料的可变性，”雅各布森说。“使用我们从模拟物中创建的库 – 与月球土壤进行交叉检查 – 打印机将知道如何处理每件作品以生产出最好的陶瓷。这个详细的信息库将在使想象中的前哨站成为现实方面发挥作用。