綜述：風化層資源的就地利用和月球/火星棲息地增材制造的未來探索

來源：材料人

2022年，中國地質(zhì)大學（武漢）先進設計與制造團隊郝亮教授課題組題為《風化層資源的就地利用和月球/火星棲息地增材制造的未來探索：綜述》的研究成果，被地球科學類重要期刊（《Applied Clay Science》，影響因子：5.907，地球科學類中科院2區(qū)、工程技術(shù)類中科院2區(qū)）錄用。論文第一作者為已畢業(yè)碩士研究生王雨珅和郝亮教授，郝亮教授、李妍副教授和孫慶磊副教授為本論文的共同通訊作者。中國地質(zhì)大學（武漢）行星科學研究所所長、中國航天局探月與航天工程中心科學顧問、載人航天工程空間科學與應用領域?qū)＜医M成員、中國科學院空間科學研究院戰(zhàn)略專家成員肖龍教授為本論文的合作作者。

月球/火星上的就地資源利用是探索外層空間的前沿熱點。該綜述全面概述了可應用于月球/火星的幾種增材制造技術(shù)的最新研究，提出了極端環(huán)境下幾種可能的棲息地設計和建設策略。增材制造技術(shù)作為人類在月球/火星定居前的必要無人施工工藝，為月球/火星復雜三維物體的制造提供了新的機遇，正成為利用外空就地資源的主要動力。

風化土是在月球或火星表面建造棲息地和物體的就地自然資源。本文首先介紹了可應用于月球/火星的幾種增材制造技術(shù)的最新研究，包括增材制造過程的環(huán)境影響（如溫度、重力和真空）以及就地材料利用，重點是月球/火星土壤的特性、選礦和處理。

（1）漿料直寫技術(shù)打印（DIW，圖1）：通過調(diào)節(jié)添加劑的種類和配比，可打印出具有復雜結(jié)構(gòu)、高彈性的樣件。

圖1 月壤/火壤模擬物DIW打印樣件

（2）粉末噴墨技術(shù)打印（圖2）

圖2 (a)模型，(b)概念，(c)，(d)粉末基噴墨套結(jié)構(gòu)加工，(e)打印物體的蜂窩結(jié)構(gòu)

（3）激光選區(qū)熔融技術(shù)打?。▓D3）

近年來，隨著激光金屬增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，其已展示出在力學強化、多尺度精確調(diào)控和復雜結(jié)構(gòu)一體化精密制造領域的優(yōu)勢。本文提出了月球和火星極端環(huán)境下棲息地的幾種可能設計和建造策略。

圖3 激光選區(qū)熔融技術(shù)打印的月球/火星風化層模擬物部件

a. 多功能基地集群的布置策略（圖4）：單個基地很難容納多個太空任務，在建造月球/火星基地時需要多功能基地集群。

圖4 多功能基地集群(a)配備生命支持系統(tǒng)的月球前哨艙，(b)太陽能動力系統(tǒng)塔，(c)微波燒結(jié)器概念，(d)基地布局

b. 多層防御基地的增材制造技術(shù)（圖5）：棲息地的設計應考慮三個基本方面，分別提供熱保護、機械保護和輻射保護。

圖5 高性能（防輻射、抗高溫差等）建筑外殼的搭建

c. 采用可持續(xù)增材制造的設計（圖6）：從地球上獲取的資源有限，就地資源利用可有效降低對陸地材料的需求和地球發(fā)射成本。

圖6 利用生物廢棄物作為添加劑的可循環(huán)增材制造方案

增材制造技術(shù)在月球/火星上應用所面臨的挑戰(zhàn)：

（1）微重力的影響與模擬測試（圖7）：1）氣流輔助法改善微重力條件下粉末難沉淀問題；2）采用噴粉激光熔融技術(shù)，避免使用粉床基底。

圖7 (a)流動輔助粉末沉積過程，(b)模擬μ重力環(huán)境的拋物線飛行，(c)光學顯微鏡的前(左)和側(cè)(右)面視圖和(d)飛行期間制造的標本的最后物體，(e)輥式、箱型、v型三種涂覆設計。

（2）可移動和可擴展的增材制造設備設計（圖8）：可伸縮/折疊支架的設計和可移動設備的設計。

圖8 (a)移動式輪廓制作操作設計，(b)可伸縮結(jié)構(gòu)的備選梁設計，(c)機器人打印拱頂結(jié)構(gòu)，(d)用硫磺混凝土漿料打印的拱頂結(jié)構(gòu)模型

（3）外層空間增材制造的能量收集和利用（圖9）：太陽能、核反應堆及其它熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)。

圖9 (a)太陽能灶示意圖，(b)燒結(jié)過程中太陽能灶實驗裝置的3D示意圖，(c)模擬風化層沉積過程中的三維草圖，(d)太陽能模擬器的氙氣燈，(e)太陽模擬器實驗裝置的3D示意圖

（4）近真空環(huán)境中的增材制造：1）擠壓成形：噴射不穩(wěn)定或失??；2）激光熔融沉積：月球/火星上的粉末輸送過程挑戰(zhàn)。

增材制造技術(shù)作為人類在月球/火星定居前的必要無人施工工藝，為月球/火星復雜三維物體的制造提供了新的機遇，正成為利用外空原位資源的主要動力。

該研究得到了國家自然科學基金（No. 51902295）、武漢市科技局應用基礎前沿研究（No.2019020701011454）、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金（No. CUG2021234）、湖北省博士后創(chuàng)新研究崗位、硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室開放基金（No. SYSJJ2022-14）的支持。

論文信息

Title: In-situ utilization of regolith resource and future exploration of additive manufacturing for lunar/martian habitats: A review
Authors: Yushen Wang, Liang Hao, Yan Li, Qinglei Sun, Mingxi Sun, Yuhong Huang, Zheng Li, Danna Tang, Yijing Wang , Long Xiao
Link: https://www.sciencedirect.com/sc ... S016913172200268X#!
https://doi.org/10.1016/j.clay.2022.106673

課題組介紹

中國地質(zhì)大學(武漢)先進設計與制造團隊依托于中國地質(zhì)大學(武漢)珠寶學院與機電學院，團隊先后承擔了國家重點研發(fā)計劃項目、國防973項目，國家自然科學基金、湖北省揭榜制科技項目、裝備預研教育部聯(lián)合基金一般項目、航天科技創(chuàng)新重點基金等項目。在國內(nèi)外重要期刊發(fā)表學術(shù)論文380余篇，其中入選高被引論文10篇，申請或授權(quán)中國發(fā)明專利42項。團隊近年來圍繞國家重大戰(zhàn)略需求，瞄準地質(zhì)工程、地質(zhì)災害模型預警與檢測、地質(zhì)災害應急搶險礦物材料與工藝、航空航天發(fā)動機推力室等增材制造與精密成形前沿技術(shù)，促進增材制造技術(shù)在地質(zhì)工程、航空航天、醫(yī)療健康、智能穿戴等制造領域的拓展應用。團隊負責人郝亮教授曾與英國空中客車等企業(yè)合作開展了輕質(zhì)航空零件的低碳設計制造技術(shù)研發(fā)與應用示范，通過跨學科交叉(設計、制造與計算機等)數(shù)字經(jīng)濟項目研發(fā)了規(guī)模化實物產(chǎn)品共享制造與價值共創(chuàng)模式，獲得了世界知名CAD/CAM軟件公司DELCAM的支持。

第一作者及通訊作者簡介

郝亮，中國地質(zhì)大學(武漢)教授/博導，珠寶學院副院長，先進制造研究所所長，湖北省珠寶工程技術(shù)研究中心常務主任，湖北省高層次專家，湖北省“產(chǎn)業(yè)教授”、湖北省特種加工協(xié)會副理事長、“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)戰(zhàn)略團隊帶頭人”等榮譽稱號在英國期間主持/參與包括英國工程和物理科學基金、科技發(fā)展局、皇家工程協(xié)會、歐盟和企業(yè)如英國空中客車公司資助的超過300萬英磅的研究項目(含兩項大型歐盟項目)，研發(fā)了世界首個激光粉末床熔融輕量化鈦合金構(gòu)件并經(jīng)過航天飛行測試(2009)?；貒笾鞒?參與國家自然基金面上項目2項、國家重點研發(fā)計劃、國際合作交流項目和湖北省揭榜制科技項目及多項省部級資助項目。在國外國內(nèi)核心期刊與重要會議發(fā)表100多篇論文，含5篇高被引論文，獲批發(fā)明專利12項，撰寫相關英文學術(shù)著作5部。被引次數(shù)9980次，H-index 50。

通訊作者簡介

李妍，倫敦大學材料科學博士，副教授，博士生導師，珠寶學院實驗教學中心主任，“地大學者”青年拔尖人才（2021），“地大學者”青年優(yōu)秀人才（2017）。入職后主持十項科研項目（含國家自然基金青年項目，武漢市科技局項目，中央高校杰出人才項目，湖北省自然基金面上項目）。參與八項科研項目（國家重點研發(fā)計劃子課題，國家自然基金面上項目，湖北省揭榜項目，中英國際交流合作項目、英國戰(zhàn)略技術(shù)委員會資助Nanosynth Project項目，歐盟Polygraph項目）。發(fā)表高水平學術(shù)論文61篇，SCI論文43篇（第一作者/通訊作者發(fā)表論文30篇），參編英文專著3部（2部Elsevier 出版），參編中文專著1部和中文教材1部。長期擔任10余個國際學術(shù)期刊雜志審稿人，如：Advanced Materials (IF=32.086), Additive Manufacturing (10.998)，Nanotechnology Reviews（IF=7.848），Composites Part A（IF=7.664），Advanced Materials Technologies (IF=8.856)等。

通訊作者簡介

孫慶磊，副教授，華中科技大學機械科學與工程學院博士，丹麥科技大學聯(lián)合培養(yǎng)博士。從事地質(zhì)礦物材料制備和LED封裝技術(shù)研究。現(xiàn)主持中央高?；緲I(yè)務經(jīng)費1項、硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室開放基金1項、湖北省博士后創(chuàng)新研究項目1項、深圳市高新技術(shù)企業(yè)委托開發(fā)項目2項、湖北省珠寶工程技術(shù)研究中心開放項目1項，參與過國家自然科學基金、湖北省重點研發(fā)計劃等。已發(fā)表學術(shù)論文34篇，其中第一作者SCI文章11篇（包含中科院1區(qū)2篇、中科院2區(qū)5篇、中科院3區(qū)3篇、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊1篇），通訊作者3篇（其中ESI高被引文章1篇），授權(quán)和公開發(fā)明專利各2項。擔任Additive Manufacturing，Journal of Alloys and Compounds, Ceramics International, Crystals等國際期刊的審稿人。