检查月球土壤以进行月球建设

这个问题的答案不仅仅是转瞬即逝的好奇心——它是美国宇航局阿耳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。虽然研究人员了解了月球土壤的一般构成，但西北大学矿物学家史蒂文·雅各布森已获得美国宇航局马歇尔太空飞行中心的资助，以进一步揭开可疑尘埃的神秘面纱。由于从地球运来传统建筑材料的成本非常高，NASA与机器人和人工智能公司ICONTechnologyInc.合作，探索利用月球自身资源建造月球前哨站的新方法。但在ICON能够用月球土壤建造结构之前，团队必须首先了解土壤的确切成分，每个样本的土壤成分可能会发生巨大变化。

为了表征这些样品，雅各布森正在与他以前的学生、现任ICON的材料科学家凯蒂·库贝(KatieKoube)密切合作，利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成分库，用于优化构建过程的参数。

“地外建筑面临着许多挑战，”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，土壤是由流星体撞击压碎了月球表面而形成的。因此，月球本质上覆盖着一层厚厚的面粉。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，材料也可能有很大差异。”

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PaulaM.Trienens可持续发展和能源研究所以及工程可持续发展和复原力中心的教员。该项目的成员还包括劳拉·加德纳(LauraGardner)和蒂尔扎·阿伯特(TirzahAbbott)，他们都是博士。雅各布森实验室的候选人。

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场。否则，每次月球着陆器与月球表面接触时，它都会扬起具有破坏性的灰尘，这些灰尘可能会损坏设备并破坏周围的栖息地。

“月球上的每一粒尘埃都是锯齿状的、有棱角的，”库贝说。“当你想到地球上的沙粒时，它们是圆形的，因为风化消除了所有粗糙的边缘。如果没有风化，颗粒仍然凹凸不平且锋利。因此，如果火箭直接降落在月球表面，它会激起磨蚀性尘埃，基本上会对整个区域进行喷砂。”

2022年11月，NASA选择ICON提供5720万美元的资助，用于开发月球建造技术。该合同建立在NASA和国防部之前为ICON奥林巴斯项目提供资金的基础上，该项目旨在研究和开发天基建筑系统，以支持计划中的月球及其他地区的探索。ICON的Olympus系统旨在成为一个多用途建筑系统，主要使用当地月球和火星资源作为建筑材料，以进一步推动NASA和商业组织在月球上建立持续存在的努力。ICON已经在使用其先进的3D打印技术在地球上建造家园。通过在月球上放置基于多用途原位资源利用(ISRU)的月球建设系统，该团队的目标是利用月球资源作为建设的基石。

“将传统的地球建筑设备和材料发送到月球是不可行的，”雅各布森说。“有效载荷太重了。所以说，这个计划还是比较实用的。正如地球上的第一块砖是由陆地土壤制成的一样，月球上的第一块砖也将由月球土壤制成。”

模拟土壤样本

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来领导样本分析。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，在空间技术任务理事会的月球到火星行星自主建造技术(MMPACT)项目下进行合作。

西北大学的分析工作已经在进行中。加德纳和阿博特目前正在使用各种显微镜技术来分析八种月球模拟物(旨在模仿真实月球土壤的人造月球土壤)和合成斜长石(一种脆性灰白色矿物，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可能发生的变化，并想出一种在3D打印机上进行动态测量的方法。”

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。研究小组在一些矿物质中检测到了氢——水的一种成分，而月球上的矿物质并不丰富。他们还在寻找模拟物中不会出现在月球表面的矿物杂质。然后，团队可以专注于施工过程中更可能遇到的材料和化学变化。

没有勺子是相同的

在确定实际样品的变异性后，研究人员将探讨污垢的成分如何影响机器人构造中使用的熔化过程。一旦登上月球，ICON的基于ISRU的多功能月球建造系统将铲起月球土壤并将其融化以进行打印。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决定了它需要首先融化。月球泥土中的不同矿物质以不同的速度融化，因此3D打印过程对矿物学的变化非常敏感。”

当然，没有一个样本是相同的。一勺月球泥土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的示例库发挥作用的地方。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，然后调整其用于加热和冷却的激光参数。

“如果不了解土壤的特性，就很难理解最终印刷材料的变化，”雅各布森说。“使用我们从模拟物创建的库(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。详细的信息库将有助于使想象中的前哨基地成为现实。”

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