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建造月球基地的新材料 宇航員尿液或"走俏"月球

2020-06-05 09:27:48  來源:知否

自從美國總統特朗普制定了2024年前重返月球的計劃后,美國宇航局(NASA)及其合作伙伴一直在為這一目標而努力。上個月底,NASA與三家公司簽訂了研發載人登月飛船的合同。但NASA的野心很大,登月也只是一個開始,NASA計劃在2020年之前建立一個永久性的月球基地,作為前往火星的踏腳石。

建造月球基地的新材料

如果宇航員想長期待在月球上,他們就必須了解如何在月球表面的風化層上生活。從地球運送所有物資的話費用太高,宇航員們將不得不創造性的利用月球表面的有限資源。月球上的泥土是一種很好的建筑材料,而且南極的水冰可以用于制造火箭燃料,但其中最熱門的資源很可能是宇航員自己的尿液。

今年年初,歐洲一個研究團隊證實,人類尿液中含量僅次于水的尿素,可以與月球上的泥土混合成為一種建筑材料。這種材料通常被稱為地質聚合物,它具有與混凝土相似的特性,未來可能用于月球的著陸點、棲息地和其它基礎設施的建造。

在地球上,地質聚合物經常被用作傳統混凝土產品的環保替代品。水泥是混凝土的主要成分,制造過程不僅需要22度的高溫,還會釋放大量二氧化碳。但是地質聚合物根本不需要太多能量,而且水泥也被巖石粉末或者煤炭燃燒產生的粉末取代。當它與水和某些活性化合物混合時,就會產生一種類似于膩子一樣的物質,可以塑造成任何我們需要的形狀。

地質聚合物的缺點

在月球上,用磚建筑的效率太低,而且會限制建筑的種類,但3D打印技術可以建造更復雜的棲息地。未來月球上的大多數基礎設施很可能將由工業3D打印機完成。月球表面的風化層與飛灰有相似的化學成分,這意味著地質聚合物是月球上一種極具吸引力的建筑材料。但地質聚合物也有缺點,它需要混合大量的水才能通過3D打印機的噴嘴流出。

歐洲航天局先進概念研究團隊成員馬里斯·安霍夫稱:“月球表面的水是非常非常寶貴的資源,所以我們這項研究的主要目標之一就是如何減少地質聚合物所需的水量。”

高級減水劑能夠用來降低混凝土和地質聚合物的用水量,并且保持其流動性,但在地球上通常使用的是萘和聚羧酸。安霍夫和同事們研究發現,尿素的效果也一樣好,而且很容易在月球上找到,可以通過過濾宇航員尿液中的廢棄物來收集尿素。

為了驗證這一想法,研究人員將人造尿素粉末與月球塵土的模擬物混合,然后在3D打印機中進行了模擬。之后,他們將結果與傳統的地質聚合物進行了比較。挪威東福爾大學的材料學家安娜·莉娜·基尼克森說:“這種材料表現相當不錯,整體效果很好,尤其是在避免裂紋方面。”

充當宇航員的保護傘

這種聚合物還可以幫助宇航員在月球表面建造庇護所,為其阻擋危險的電離輻射。月球沒有大氣層或強磁場來阻擋太陽輻射,因此宇航員在月球表面長期停留會增加患癌風險。在地球上,地質聚合物已經成為存儲核廢料的候選材料之一,因此同樣也能保護月球上的宇航員。

歐洲航天局正試圖通過研究來確定以尿素為原材料的地質聚合物是否能有效屏蔽輻射。他們還需要證明是否能夠在月球上制造出這種材料。在最近的研究中,安霍夫和同事們在室溫的露天環境中制造出了地質聚合物。但月球表面的低重力和真空環境,讓3D打印設備面臨更高的挑戰。地質聚合物還需要能夠承受月球126到零下173攝氏度之間的巨大溫度波動。

尿液可能不夠用

美國中佛羅里達大學的行星科學家兼月球資源專家菲爾·梅茨格稱,即使不含有尿素,地質聚合物也有希望替代傳統的燒結方法,而后者也是科學家們正在探索的另一種月球基地建造方法。但這種方法需要借助大量的能量爆破風化層,使其熔化在一起。

但問題在于,在月球上很難獲得能量。而且建造大型建筑需要一座兆瓦級規模的太陽能發電廠,并將其所有電力供給燒結設施。雖然以地質聚合物為基礎的建筑更容易規?;?,但梅茨格懷疑尿液能否最終成為月球上首選的高級減水劑。他認為,高級減水劑很可能會從地球運來或者從月球冰中開采出來。

梅茨格說:“我不知道月球上的尿液是否足夠。我不認為會有那么多人在月球上撒尿。當然,NASA也不可能向月球發射裝滿尿液的火箭。”

用尿液種植蔬菜可能更適合

事實上,宇航員的尿液還有很多其它用途。比如回收并飲用,就像國際空間站的宇航員那樣。盡管月球的南極有結冰的水,但目前還不清楚提取和使用的難度有多大。其中還可能含有汞和硫化氫等有毒物質,必須經過凈化后才能供人類安全飲用。

即使人類最終能夠飲用月球水,用宇航員的尿液制造地質聚合物仍然不是最好的選擇。相反的是,它可能更適合種植蔬菜。尿素能夠分解成氨和二氧化碳,而且某些類型的微生物擅長將氨轉化為常見的肥料——硝酸鹽。

這意味著尿液也可以在獨立的生命支持系統中使用,除了回收水和還可以回收尿素用作蔬菜種植的肥料。德國航空航天中心的研究人員多年來一直在人類尿液中栽培蔬菜。2018年年底,他們還向地球軌道發射了一顆衛星,測試了以尿液為肥料的迷你溫室模型。

在貧瘠的月球環境中,每一滴液體對于宇航員來說都是寶貴的資源。因此,無論是用作建筑材料、肥料還是維持生命,在人類進入太陽系冒險的過程中,尿液似乎都將發揮重要的作用。

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