月球上的第一个洞穴

第一批在月球和火星上生活的人类将在地球上建造的维持生命的模块中安家。但是，不断地往火箭里装满食物、水泥和其他消耗品来支持新的人类殖民地是不可能的。在其他世界生活取决于我们是否有能力依靠这些土地生存。

“最初的栖息地应该建在地球上;不莱梅大学的克里斯汀·海尼克博士领导了一个设计预制月球和火星基地的团队，他说:“这种方法更昂贵，但更安全。”“从长远来看，如果我们派更多的人去那里，并且真的想在那里永久存在，我认为使用当地材料建造栖息地更有意义。[…在月球和火星表面，你有这么多的风化层，你可以用它来建造。”

月球风化层是由辐射和陨石对月球表面的无情轰击所产生的矿物和玻璃灰尘，是一种非常具有刺激性的物质。这些颗粒带有静电电荷(所以所有东西都被它覆盖)，而且呈锯齿状(所以擦掉它会引起划伤)。这就是我们要建造的东西。

自20世纪60年代以来，有关就地资源利用(ISRU)的工作一直在进行，主要集中在提取水和氧气。考虑到我们离生活在其他世界的人类有多远，更不用说扩建他们的小型预制房屋了，用风化层建造房屋可能被认为是遥远未来的一个问题。然而，Nasa和ESA一直在热情地探索ISRU的建设;俄罗斯联邦航天局(Roscosmos)宣布，将用3d打印结构支持其长期任务;2019年，中国国家航天局表示将在月球上3d打印一个基地。

欧空局的高级制造工程师Advenit Makaya博士警告说，我们正处于ISRU的“准备阶段”，在这个阶段，研究人员正在尽可能广泛地浏览各种方法，以找出最有前途的方法。然而，他承认我们可能需要比预期更早地开始使用ISRU进行建设:“理论上，短期内你不需要带风化层的混凝土建筑。但是，您有两个问题需要尽快解决。首先是辐射防护。如果你想把人送到月球上待更长的时间，你需要保护他们。第二个问题是:你如何在月球上着陆相对较大的宇宙飞船而不会到处都是灰尘?避免这种情况的一种方法是制造着陆垫，最好是使用当地资源。所以，建造可能比我们想象的要早。”

有两种广泛的方法来建造月球风化层:烧结和粘结。烧结包括将风化层加热到熔点以下，使键在晶界上形成，从而制造出坚固的玻璃或陶瓷。

尽管研究了一些壮观的科幻概念——包括安装激光器的火星车烧结火星道路，人类跟在后面——激光在大规模建筑中的应用可能有限。马卡亚解释说:“(激光)非常耗电，而且焦点非常小。”“所以，你可以以非常高的精度制作小的东西，但你不能制作大的东西，因为它需要花费很长时间。激光将用于非常具体的事情。”

聚光也许是最优雅的方法，因为它不需要额外的电源。亚利桑那大学天文学家罗杰·安吉尔教授在2020年与人合著的一篇论文中设想，用太阳烧结块在短短三年内建造一个类似万神殿的结构，而且寿命与万神殿相似，而科隆附近的一个实验室正在用太阳炉从土壤中培育“人造石头”。

烧结基结构最有前途的方法可能是使用微波;用普通的微波炉在几分钟内融化月球风化层是可能的。阿波罗17号任务的月球土壤已经证明了这一点。虽然微波未能从风化层中制造出可用的建筑砖，但研究人员提出，这可能是在月球上准备地基、道路以及发射和着陆平台的理想方法。

月球建造的另一种方法是通过ISRU制造混凝土混合物。就像地面混凝土一样，月球混凝土(被称为“月球混凝土”或“月球混凝土”)的基本成分是骨料和水泥。前者将是风化层，后者将是一个挑战，因为月球水资源稀缺。尽管如此，在我们耗尽自然资源的时候，解决这个挑战对我们地球上的人来说不是很有意义吗?

这一领域的许多研发都集中在硫(或者，在火星上，磷酸)上。硫可以从月球的潮泥岩中提取出来，并加热到熔点140°C，与风化层结合，很快形成类似岩石的固体。由于化学反应很少或没有化学反应，严格来说不能形成混凝土，其性能达不到地面混凝土的水平。

科学家们还在探索生物粘合剂，灵感来自于历史上使用树脂、马铃薯淀粉、马蹄胶原蛋白和动物血液作为粘合剂。例如，曼彻斯特大学的研究人员发现，人类血液中常见的一种蛋白质可以与模拟月球风化层混合，制成抗压强度与地面混凝土相当的混凝土。这要归功于凝结或凝结过程，通过这个过程，蛋白质形成了一个延伸的结构，将物质连接在一起。

参与该项目的工程师阿尔德·罗伯茨博士解释说，有必要利用月球和火星任务中可用的任何资源。“我们想，你知道，你可能会养殖人类吗?这就是它是如何产生的，”他说，尽管他保证流血不是大规模太空建设的未来。

他说:“我不认为在重大建筑中使用人血是可行的。”“可能会有某种小众应用。也许在紧急情况下，你需要密封一些东西，而且没有粘合剂，所以你可以用人血。”

这种基于血液的混凝土，就像其他一些月球混凝土一样，具有3D打印的潜力。科学家们预计3D打印将在太空建设中发挥重要作用，特别是考虑到人类和机器人在这些极端环境中的活动受到限制。欧洲航天局最近的一项研究将月球风化层模拟物与一种液体粘合剂结合在一起，沿着预定的路径应用，将材料变成“石头”般的固体，产生闭细胞结构，有可能保护宇航员免受宇宙射线和太阳耀斑的伤害。

与此同时，ICON正在为Nasa开发第一台全尺寸3D打印机。他们希望这台打印机可以挤出一种以风化层为基础的混凝土，形成建筑规模的结构。

其他工程师正在测试风化层的极限，看看我们可以用多少粘合剂而不使结构坍塌。加州大学圣地亚哥分校(University of California at San Diego)教授乔宇(Yu Qiao)说:“人们正在研究现场用人类粪便生产的不同粘合剂。”“但你看看传统材料，其中15%到20%是粘合剂，你知道……你能生产多少?”

乔正在探索超低黏结剂混凝土:这是一个研发领域，对地球上建筑的可持续未来也至关重要。他和他的同事们使用月球风化层模拟物，证明了仅用4%的粘结剂结合压实过程，就有可能生产出比钢钢筋混凝土更坚固的物质。当他用火星风化层重复实验时，他发现的情况更加不同寻常。

“我们想借用这种理解来研究火星土壤。所以，我们开始使用火星土壤模拟器来运行这项任务。我们加入了4%的粘合剂(一种标准环氧胶)，效果非常好。“哇”，我们说，“太棒了”，然后我们说，“让我们来测试一下极限;让我们降至3%吧。仍能工作。百分之二?仍能工作。百分之一?还是工作! Then I say: ‘wait a minute, something is interesting. This shouldn’t work’.”

乔和他的同事们再次尝试压实模拟物，这一次根本没有使用粘合剂。它仍然形成了固体。他们的假设是，施加压力会导致风化层中的铁分裂，留下“几乎原子一样平坦”的表面。当两个非常光滑的表面在真空中接触时，接触的原子不“知道”它们属于不同的表面，并形成原子键。这种现象，即冷焊，在国际空间站上也观察到了。目前，乔正在等待正在进行的任务，以完善我们对火星风化层的理解，这样他就可以了解这是风化层模拟物的一个怪癖，还是一种可以让后代在火星上建造而不需要粘合剂的现象。

在月球和火星上建造将需要一系列方法:一些部分将使用粘合剂，其他部分将烧结;未来将会有大量的自动机器人在其基础上构建结构，还会有增材制造的应用。

太空建筑专家汉娜Läkk说:“目前还没有超级材料。”“这与地球上的建筑非常相似。不管你要构造什么，都不会有一种材料可以适用于所有的东西。不同的功能需要不同的材料，所以有必要研究这些不同的方法。”

ISRU自20世纪60年代以来一直在讨论中，自20世纪80年代以来一直在讨论建设，但过去的每一波兴趣都因太空机构的优先事项转移而流产。研究人员希望这一波浪潮可能会有所不同:“目前，由于商业太空——这是20年前和阿波罗时代不存在的一个因素——有机会让事情继续下去……不管会发生什么政治变化，”马卡亚说。“(对ISRU的兴趣)经历了一波又一波，我们希望这一波能在实施方面结出果实。”

通过阿耳特弥斯任务，美国宇航局的目标是在未来几年让宇航员重返月球，并建立永久性的在轨和地面存在——类似于北极研究实验室——作为通往火星和更远地方的垫脚石。2020年，它宣布将为ISRU从月球上采矿的公司购买月球风化层，这成为头条新闻。时任美国宇航局局长吉姆·布里登斯廷在一篇博客文章中写道:“我们知道，关于回收和使用太空资源的支持性政策对于为商业太空创新者和企业家创造稳定和可预测的投资环境非常重要。”

这被普遍解读为，美国宇航局希望从近地轨道到月球，利用日益增长的太空经济的成功。那么，月球经济会是什么样子呢?

“我认为这是一种理想的表达……我们有责任将资本主义和所谓的美国生活方式扩展到月球，以对抗人们眼中的中国扩张，”行星协会(the Planetary Society)首席倡导者凯西•德雷尔(Casey Dreier)表示。“但就月球经济的细节而言，没有人真正知道它是什么样子，因为如果它是明显或直接的，它就会已经发生了。”

建造和其他形式的ISRU——用于氧气和水——作为生存的必需品，显然是希望参与月球经济的参与者的起点。然而，德雷尔认为，月球经济需要比近地轨道太空部门更多的“自我引导”，因为没有可比的以人为本的商业机会。然而，美国宇航局希望通过宣布这一消息来鼓励富有想象力的投资者，保证他们的采石场有一个核心买家，一旦月球建筑行业蓬勃发展，美国宇航局就会撤出其存在——无论这需要多长时间。

德雷尔说:“具有讽刺意味的是，说到底，这并不是很资本主义。”