用航天員的尿液在月球上建基地，有內味了
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
地球人探索星辰大海的夢想從未停歇，在地外空間建造行星基地是我們探索、勘測更廣闊的地外空間的墊腳石。中國國家航天局、美國宇航局（NASA）、歐洲航天局（ESA）都計劃着在未來數十年內建造月球基地。
在月球上建設基地分兩步：一、準備建築原材料；二、將建築材料組建成基地。
看上去很簡單，但是月球不比地球，環境惡劣：強輻射、極端高溫，甚至可能會時不時掉下一顆隕石，想存活必須得建個強大的堡壘。在地球上建造一個基地尚且需要耗費大量人力、物力，更何況是在環境惡劣的月球上。
在月球上建基地，人力問題怎麼解決？
以目前的人類技術，將一個人送上月球，容易，但是要將一大批人送上月球，則不簡單，並且需要耗費大量的財力物力。
人手不足的問題，有沒有高科技解決方案呢？
有的！3D打印技術。
3D打印是增材製造的俗稱，是一種以數字模型文件爲基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。
那麼3D打印技術建造房子可行嗎？
可行，而且麼3D打印技術已經實現了商業化。中國蘇州工業園區一棟面積達1100平方米的別墅創造了全球首個帶內裝外裝一體化3D打印的紀錄。
3D打印不僅高度自動化，節省人力，還支持遠程操控，從理論上來說完全可以在航天員到達月球之前先發射3D打印機並製造工具以及基礎設施。
目前，多國已經提出用3D打印在月球上建造基地的想法。比如，ESA就提出用3D打印的方法混合月球表面的浮塵、水等來建造月面建築。俄羅斯也計劃使用月球塵埃或風化層作爲原料，利用3D打印技術建造一個月球基地。
技術問題得到解決，我們再來說說材料問題。
俗話說，巧婦難爲無米之炊，建造離不開建築材料，那麼問題來了：建築材料怎麼解決呢？
月球上的引力是地球上的六分之一，建築材料的結構力學與地球上的不同，而且月球溫差極大，溫度的極端變化也會影響建築強度；更何況，月球上還有比地球上的地震更高頻的"月震"，這使基地建造對建築原料的要求比較高。
基地建設原材料是否可以在月球上就地取材？
卡塔赫納理工大學（穆爾西亞）教授拉蒙•帕米斯解釋說："要製造用於月球基地建造的聚合物，可以原位資源利用，利用月球表面的土壤（來自月球表面的鬆散物質）和一些地區冰中的水"，
水是月球表面非常寶貴的資源，且不易獲得，月球上的水主要以氣態水和冰態水的形式存在。從已知的數據來看，到底有多少水冰，如今還是未知數。
即使水冰數量足夠多，要從-240℃左右、幾公里深、伸手不見五指的深坑中，將水冰加熱轉化成水，再收集利用也很難。比如，用什麼裝置加熱？加熱過程需要消耗多少能量？能源如何解決？運輸問題又如何解決？因此使用高需水量的建築材料幾乎是不可能的。
2014年有學者提出了一種用Sorel水泥（Sorel水泥，又稱之爲玻鎂板，是將氯化鎂、氧化鎂、水組合在一起生成的膠凝材料，具有凝結快、強度高、粘接力強、密度小、PH值低、可塑性強等優點），在月球表面施工的3D打印工藝。不幸的是，該方法需要大量的消耗品（化學品和水）才能生產粘合劑。
從地球上運水是否可行？
我們先來算算成本。從地球到太空運輸約0.45千克的成本約爲10,000美元，也就是七萬多人民幣。如果要運輸建造一座基地的水，成本無法想象。
所以研究人員想到了用航天員提供的原材料，例如尿液。
近日，歐洲研究人員發現，尿液中的尿素可以用作結構混凝土中的增塑劑。挪威、西班牙、荷蘭和意大利的科學家與ESA合作進行了幾次實驗，驗證尿素作爲增塑劑的潛力。研究發現，尿素能夠摻入混凝土中以軟化初始混合物，並使其在硬化之前更柔軟。
增塑劑是一種能減低高分子化合物玻璃化溫度和熔化溫度，改進膠層脆性，提高融熔流動性的化學物質。增塑劑添加到聚合物中，分佈在大分子鏈之間，能降低分子間作用力，使聚合物粘度降低，柔韌性增強。
一般混凝土的含水量越高，其流動性及加工性越好。但在混凝土有足夠的水分時，混凝土凝固後的強度和含水量恰成反比。因此若要混凝土有高強度，混凝土的水量不能過多，而增塑劑可以在不影響混凝土的加工性的條件下減少其含水量（因此稱爲減水劑），同時提升混凝土的強度。
增塑劑主要有脂肪族二元酸酯類、苯二甲酸酯類（包括鄰苯二甲酸酯類、對苯二甲酸酯類）、苯多酸酯類、苯甲酸酯類、多元醇酯類、氯化烴類、環氧類、檸檬酸酯類、聚酯類等多種。目前世界上已經研製和生產了上千種增塑劑，應用較多的有300～400種，我國生產的塑化劑約有100～110種。用於建築的混凝土用的增塑劑主要是聚羧酸系化合物。
在奧斯福德大學學院（挪威），研究人員使用ESA開發的類似於月球岩石的材料，分別加入尿素和各種增塑劑，再使用3D打印機制造了各種"泥漿"圓筒，打印出各種基建樣本，並比較它們的效果。實驗結果表明，摻有尿素的樣品形狀幾乎保持穩定，即使加熱到80攝氏度，甚至在模擬月球上8次凍融循環後，測試樣品的塑性甚至會增強。
利用尿液建造月球基地，是不是很神奇？
畢竟，在資源有限的條件下，各種能利用的都是寶貴的資源啊。未來我國月球基地的建造也少不了要原位資源利用，屆時各種黑科技都要七十二般武藝樣樣亮出來，讓我們拭目以待吧！
參考文獻：
Shima Pilehvar et al, Utilization of urea as an accessible superplasticizer on the moon for lunar geopolymer mixtures, Journal of Cleaner Production (2019). DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.119177
文章僅代表作者觀點，不代表中國科普博覽立場
