郝亮，李妍，孙庆磊等，珠宝学院，In-situ utilization of regolith resource and future exploration of additive manufacturing for lunar/martian habitats: A review

近日，我校珠宝学院郝亮教授课题组发表了题为《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》的论文。该研究成果被地球科学类重要期刊《Applied Clay Science》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，共同通讯作者为郝亮教授、李妍副教授和孙庆磊副教授。中国地质大学（武汉）行星科学研究所所长、载人航天工程空间科学与应用领域专家组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，为其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）：珐琅工艺历史悠久、源远流长，珐琅胎体的制备一直是珠宝领域研究的热点。源于本团队在珐琅胎体的增材成形的研究基础，模型的月球/火星土壤，可通过调节添加剂的种类和配比，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 (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

近年来，随着激光金属增材制造技术的快速发展，其已展示出在贵金属首饰、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

（1）多功能基地集群的布置策略：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

（2）多层防御基地的增材制造技术：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

（3）采用可持续增材制造的设计：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：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：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：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。

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/science/article/pii/S016913172200268X#!

https://doi.org/10.1016/j.clay.2022.106673