利用月球风化层在月球上开展建设

建筑未来：科学家如何将月球风化层转化为耐用的太空基础设施

月球风化层（Lunar regolith）是覆盖在月球表面的松散破碎岩石材料、尘埃和矿物层。科学家们现在正通过激光 3D 打印技术将其转化为耐用的建筑材料。这一过程被称为原位资源利用 (ISRU)，它允许直接在月球表面创建耐热的栖息地和工具，从而无需从地球运输沉重的物资。通过将这种粉尘状物质熔化成固体层，研究人员正在为人类永久殖民地奠定基础。

将建筑材料运输到月球仍然是太空探索面临的最重大障碍之一，历史上的运输成本估计为每公斤数万美元。为了让 NASA Artemis 计划在十年末成功建立长期的人类存在，任务必须从“自带一切”模式转变为自给自足模式。这种范式转变依赖于原位资源利用 (ISRU)，即目的地的自然资源——特别是月球风化层——成为基础设施的主要原料。这一策略极大地减轻了运载火箭的有效载荷重量，使深空探索在经济上可行，在后勤上也能实现。

什么是月球风化层，它如何用于建筑？

月球风化层是覆盖在月球固体基岩上的松散、破碎碎屑层，由数十亿年间的陨石撞击和太阳风轰击形成。在建筑中，这种材料作为原始原料，可以通过高功率激光或聚焦太阳能进行熔化，以制造 3D 打印砖块、着陆垫和供宇航员使用的防辐射栖息地。由于它含有诸如辉石、橄榄石和斜长石等硅酸盐矿物，它可以被加工成具有高热稳定性的类陶瓷结构。

月球风化层的物理特性在月球地理分布上差异显著。最近模拟中使用的材料被称为 LHS-1 (Lunar Highland Simulant)，它复制了在月球高地发现的土壤——该地区的特点是密集的陨石坑地形和深色玄武岩。科学家们发现，当这种细小的粉尘接受增材制造（additive manufacturing）技术处理时，它可以被熔合为复杂的形状。这种“月球混凝土”不仅耐用，而且天然具有抵抗月球环境毒性和磨蚀性的能力，为安置精密科学仪器和人类船员提供了安全的材料。

关于激光 3D 打印月球模拟物的新研究是真的吗？

是的，2026 年 2 月发表在《Acta Astronautica》杂志上的一项突破性研究证实，使用激光 3D 打印技术可以将模拟月球风化层转化为耐用、耐热的结构。 该研究由 The Ohio State University 的研究人员进行，利用“激光定向能量沉积”方法将月球模拟物熔化成层。在研究生研究助理 Sizhe Xu 和资深作者 Sarah Wolff 的带领下，团队成功制造出了能够承受极端条件的微小物体。

该方法涉及使用专门的 3D 打印系统，将 LHS-1 模拟物熔化并熔合到各种基底表面。据 Sizhe Xu 介绍，材料的最终特性对打印环境高度敏感。研究显示，大气含氧量、激光强度甚至打印过程的速度等因素决定了最终产品的结构完整性。通过测试这些变量，The Ohio State University 团队为制造机器如何针对月球真空环境进行校准提供了第一份全面的路线图。

由模拟月球土壤制成的结构有多耐用？

由模拟月球土壤制造的结构表现出极高的耐用性、高机械强度和出色的抗热震性，使其成为应对月球剧烈温度波动的理想选择。 The Ohio State University 的研究发现，当月球风化层打印在硅铝酸盐陶瓷表面时，两种材料会形成结晶键，从而增强稳定性。由此产生的材料能够保护宇航员免受微陨石撞击和严酷的太阳辐射，同时保持无毒。

为了验证这些发现，研究团队将打印的风化层与包括不锈钢和玻璃在内的各种基底进行了比较。他们观察到了以下关键性能指标：

• 热稳定性： 尽管经历了快速的加热和冷却循环，材料仍保持了其形状和强度。
• 粘附质量： 模拟物与陶瓷的结合最有效，因为陶瓷与月球地壳具有相似的化合物。
• 结构密度： 激光熔合层表现出极高的抗压能力，可与地球上使用的高性能混凝土相媲美。

“不同的环境会导致不同的特性，这直接影响到某些组件的机械强度和抗热震性，”Sizhe Xu 指出，并强调了在 3D 打印过程中进行精确环境控制的重要性。

3D 打印在自主建筑中的作用

3D 打印在太空中比传统建筑更可行，因为它允许自主、机器人化制造，而无需重型机械或人类干预危险区域。在第一批 Artemis 宇航员到达现场之前，机器人单元可以被部署来打印基础设施，例如月球着陆垫和防爆墙。这种预先达到的建设确保了当人类着陆时，他们有一个现成的屏蔽环境可以入驻，从而显著降低了任务失败的风险。

该技术面临的关键挑战之一是能源消耗。虽然 The Ohio State University 实验室系统目前依赖电力，但助理教授 Sarah Wolff 建议未来的迭代版本可以使用太阳能驱动架构。利用月球丰富的太阳能为定向能量沉积激光器提供动力，将创建一个真正的循环和可持续的建筑生态系统。这种灵活性对于资源稀缺环境下的原位资源利用至关重要，因为在这种环境下，每一瓦能量都必须经过精心管理。

对 Artemis 计划的未来影响

MMPACT 项目（Moon & Mars Pervasive Additive Construction）以及 The Ohio State University 相关研究的成功，标志着 NASA Artemis 任务进入了一个新纪元。随着 2030 年建立永久月球基地的目标临近，将 3D 打印规模从小型工具扩大到大型“月球摩天大楼”或屏蔽栖息地的能力变得至关重要。这项技术不仅能促进太空旅行，还为可应用于地球的可持续制造提供了蓝图。

根据 Sarah Wolff 的说法，从月球这种资源匮乏的环境中制造产品所获得的经验，可以帮助解决我们地球母星上的材料短缺和可持续性问题。“如果我们能在资源极少的情况下成功地在太空中制造物品，那就意味着我们也可以在地球上实现更好的可持续性，”她解释道。随着研究人员继续改进这些 3D 打印机器的灵活性，建立自给自足的月球殖民地的梦想正逐步走向现实，将月球的“尘埃”转化为人类向宇宙扩张的基石。