综述：风化层资源的就地利用和月球/火星栖息地增材制造的未来探索

来源：材料人

2022年，中国地质大学（武汉）先进设计与制造团队郝亮教授课题组题为《风化层资源的就地利用和月球/火星栖息地增材制造的未来探索：综述》的研究成果，被地球科学类重要期刊（《Applied Clay Science》，影响因子：5.907，地球科学类中科院2区、工程技术类中科院2区）录用。论文第一作者为已毕业硕士研究生王雨珅和郝亮教授，郝亮教授、李妍副教授和孙庆磊副教授为本论文的共同通讯作者。中国地质大学（武汉）行星科学研究所所长、中国航天局探月与航天工程中心科学顾问、载人航天工程空间科学与应用领域专家组成员、中国科学院空间科学研究院战略专家成员肖龙教授为本论文的合作作者。

月球/火星上的就地资源利用是探索外层空间的前沿热点。该综述全面概述了可应用于月球/火星的几种增材制造技术的最新研究，提出了极端环境下几种可能的栖息地设计和建设策略。增材制造技术作为人类在月球/火星定居前的必要无人施工工艺，为月球/火星复杂三维物体的制造提供了新的机遇，正成为利用外空就地资源的主要动力。

风化土是在月球或火星表面建造栖息地和物体的就地自然资源。本文首先介绍了可应用于月球/火星的几种增材制造技术的最新研究，包括增材制造过程的环境影响（如温度、重力和真空）以及就地材料利用，重点是月球/火星土壤的特性、选矿和处理。

（1）浆料直写技术打印（DIW，图1）：通过调节添加剂的种类和配比，可打印出具有复杂结构、高弹性的样件。

图1 月壤/火壤模拟物DIW打印样件

（2）粉末喷墨技术打印（图2）

图2 (a)模型，(b)概念，(c)，(d)粉末基喷墨套结构加工，(e)打印物体的蜂窝结构

（3）激光选区熔融技术打印（图3）

近年来，随着激光金属增材制造技术的快速发展，其已展示出在力学强化、多尺度精确调控和复杂结构一体化精密制造领域的优势。本文提出了月球和火星极端环境下栖息地的几种可能设计和建造策略。

图3 激光选区熔融技术打印的月球/火星风化层模拟物部件

a. 多功能基地集群的布置策略（图4）：单个基地很难容纳多个太空任务，在建造月球/火星基地时需要多功能基地集群。

图4 多功能基地集群(a)配备生命支持系统的月球前哨舱，(b)太阳能动力系统塔，(c)微波烧结器概念，(d)基地布局

b. 多层防御基地的增材制造技术（图5）：栖息地的设计应考虑三个基本方面，分别提供热保护、机械保护和辐射保护。

图5 高性能（防辐射、抗高温差等）建筑外壳的搭建

c. 采用可持续增材制造的设计（图6）：从地球上获取的资源有限，就地资源利用可有效降低对陆地材料的需求和地球发射成本。

图6 利用生物废弃物作为添加剂的可循环增材制造方案

增材制造技术在月球/火星上应用所面临的挑战：

（1）微重力的影响与模拟测试（图7）：1）气流辅助法改善微重力条件下粉末难沉淀问题；2）采用喷粉激光熔融技术，避免使用粉床基底。

图7 (a)流动辅助粉末沉积过程，(b)模拟μ重力环境的抛物线飞行，(c)光学显微镜的前(左)和侧(右)面视图和(d)飞行期间制造的标本的最后物体，(e)辊式、箱型、v型三种涂覆设计。

（2）可移动和可扩展的增材制造设备设计（图8）：可伸缩/折叠支架的设计和可移动设备的设计。

图8 (a)移动式轮廓制作操作设计，(b)可伸缩结构的备选梁设计，(c)机器人打印拱顶结构，(d)用硫磺混凝土浆料打印的拱顶结构模型

（3）外层空间增材制造的能量收集和利用（图9）：太阳能、核反应堆及其它热电转换技术。

图9 (a)太阳能灶示意图，(b)烧结过程中太阳能灶实验装置的3D示意图，(c)模拟风化层沉积过程中的三维草图，(d)太阳能模拟器的氙气灯，(e)太阳模拟器实验装置的3D示意图

（4）近真空环境中的增材制造：1）挤压成形：喷射不稳定或失败；2）激光熔融沉积：月球/火星上的粉末输送过程挑战。

增材制造技术作为人类在月球/火星定居前的必要无人施工工艺，为月球/火星复杂三维物体的制造提供了新的机遇，正成为利用外空原位资源的主要动力。

该研究得到了国家自然科学基金（No. 51902295）、武汉市科技局应用基础前沿研究（No.2019020701011454）、中央高校基本科研业务费专项资金（No. CUG2021234）、湖北省博士后创新研究岗位、硅酸盐建筑材料国家重点实验室开放基金（No. SYSJJ2022-14）的支持。

论文信息

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

课题组介绍

中国地质大学(武汉)先进设计与制造团队依托于中国地质大学(武汉)珠宝学院与机电学院，团队先后承担了国家重点研发计划项目、国防973项目，国家自然科学基金、湖北省揭榜制科技项目、装备预研教育部联合基金一般项目、航天科技创新重点基金等项目。在国内外重要期刊发表学术论文380余篇，其中入选高被引论文10篇，申请或授权中国发明专利42项。团队近年来围绕国家重大战略需求，瞄准地质工程、地质灾害模型预警与检测、地质灾害应急抢险矿物材料与工艺、航空航天发动机推力室等增材制造与精密成形前沿技术，促进增材制造技术在地质工程、航空航天、医疗健康、智能穿戴等制造领域的拓展应用。团队负责人郝亮教授曾与英国空中客车等企业合作开展了轻质航空零件的低碳设计制造技术研发与应用示范，通过跨学科交叉(设计、制造与计算机等)数字经济项目研发了规模化实物产品共享制造与价值共创模式，获得了世界知名CAD/CAM软件公司DELCAM的支持。

第一作者及通讯作者简介

郝亮，中国地质大学(武汉)教授/博导，珠宝学院副院长，先进制造研究所所长，湖北省珠宝工程技术研究中心常务主任，湖北省高层次专家，湖北省“产业教授”、湖北省特种加工协会副理事长、“创新创业战略团队带头人”等荣誉称号在英国期间主持/参与包括英国工程和物理科学基金、科技发展局、皇家工程协会、欧盟和企业如英国空中客车公司资助的超过300万英磅的研究项目(含两项大型欧盟项目)，研发了世界首个激光粉末床熔融轻量化钛合金构件并经过航天飞行测试(2009)。回国后主持/参与国家自然基金面上项目2项、国家重点研发计划、国际合作交流项目和湖北省揭榜制科技项目及多项省部级资助项目。在国外国内核心期刊与重要会议发表100多篇论文，含5篇高被引论文，获批发明专利12项，撰写相关英文学术著作5部。被引次数9980次，H-index 50。

通讯作者简介

李妍，伦敦大学材料科学博士，副教授，博士生导师，珠宝学院实验教学中心主任，“地大学者”青年拔尖人才（2021），“地大学者”青年优秀人才（2017）。入职后主持十项科研项目（含国家自然基金青年项目，武汉市科技局项目，中央高校杰出人才项目，湖北省自然基金面上项目）。参与八项科研项目（国家重点研发计划子课题，国家自然基金面上项目，湖北省揭榜项目，中英国际交流合作项目、英国战略技术委员会资助Nanosynth Project项目，欧盟Polygraph项目）。发表高水平学术论文61篇，SCI论文43篇（第一作者/通讯作者发表论文30篇），参编英文专著3部（2部Elsevier 出版），参编中文专著1部和中文教材1部。长期担任10余个国际学术期刊杂志审稿人，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。

通讯作者简介

孙庆磊，副教授，华中科技大学机械科学与工程学院博士，丹麦科技大学联合培养博士。从事地质矿物材料制备和LED封装技术研究。现主持中央高校基本业务经费1项、硅酸盐建筑材料国家重点实验室开放基金1项、湖北省博士后创新研究项目1项、深圳市高新技术企业委托开发项目2项、湖北省珠宝工程技术研究中心开放项目1项，参与过国家自然科学基金、湖北省重点研发计划等。已发表学术论文34篇，其中第一作者SCI文章11篇（包含中科院1区2篇、中科院2区5篇、中科院3区3篇、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊1篇），通讯作者3篇（其中ESI高被引文章1篇），授权和公开发明专利各2项。担任Additive Manufacturing，Journal of Alloys and Compounds, Ceramics International, Crystals等国际期刊的审稿人。