火星上建基地，如何就地取材

近日，中國科學院新疆理化技術(shù)研究所（以下簡稱“新疆理化所”）發(fā)布了一項引人注目的研究成果：科研人員以地球玄武巖為原料模擬火星壤，并通過熔融拉絲技術(shù)，將其制備成連續(xù)模擬火星壤纖維。這意味著未來人類有塑就地取材，建設火星基地。相關(guān)研究論文于日前發(fā)表于國際期刊《交叉科學》。

“可以暢想一下，在未來，由火星壤制成的高強度纖維，與同樣取自火星的土壤基體棺結(jié)合形成復合材料。利用3D打印等技術(shù)，復合材料被打造成各種建筑模塊，最終用于建造一個適合人類生存的火星基地。”新疆理化所研究員馬鵬程接受采訪時展望。

理論研究先行

火星距離地球最遠時有4億千米，最近時約為5500萬千米。盡管遙不可及，但人類對移居火星的憧憬與探索從未停歇。近年來，隨著航天技術(shù)的突飛猛進，人類登陸火星似乎不再遙遠，火星基地的建設也因此成為國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點。

新疆理化所博士研究生郭澤世介紹，鑒于高昂的太空運輸成本，將建筑材料從地球運往火星幾乎是—項不可能完成的任務。因此，未來建設火星基地，必須就地取材。在這方面，國際上已有一些研究。例如，有研究認為，可利用火星壤制成磚或混凝土等各種建筑材料。不過目前人類還未取得火星壤，因此大部分研究仍停留在理論層面。

2019年起，新疆理化所研究團隊將目光投向深空領(lǐng)域，通過與中國科學院地球化學研究所、香港中文大學（深圳）等單位合作，以火星基地建設中對高性能增強體材料的需求為出發(fā)點，探究利用火星壤制備連續(xù)纖維并將其用于建設火星基地的可行性。

“雖然目前人類尚未獲得火星壤實物，但地球上廣泛存在的玄武巖在化學成分、礦物相組成上，都與火星壤十分相似。”馬鵬程說，如果玄武巖能通過熔融拉絲形成纖維，那么成分相近的火星壤也應具有制備成纖維的可能性。

技術(shù)提供支撐

玄武巖是火山噴發(fā)出的巖漿在地表冷卻后凝固形成的—種巖石，具有致密狀或泡沫狀結(jié)構(gòu)，在我國廣泛分布。長期以來，因其堅硬且耐腐蝕，玄武巖通常被用作鋪路石。

“別看這石頭又黑又硬，如果把它制成纖維，就能身價倍增。”馬鵬程介紹，玄武巖纖維是以天然玄武巖礦石為原料，經(jīng)過礦石粉碎、熔融、拉絲和涂覆浸潤劑后制成的絲狀材料，是我國重點發(fā)展的四大高性能纖維之一。

數(shù)十年來，馬鵬程帶領(lǐng)科研團隊在玄武巖分布數(shù)據(jù)平臺搭建、玄武巖熔體成纖技術(shù)、浸潤劑配方設計與優(yōu)化等領(lǐng)域持續(xù)探索。這為研究火星壤纖維提供了理論和技術(shù)支撐。

通常情況下，大部分玄武巖在被粉碎成粉末后，經(jīng)過1450攝氏度的高溫加熱會完全熔化成液態(tài)，再通過拉絲冷卻，最終形成纖維。科研人員對以玄武巖為原料制備的模擬火星壤進行了基礎熱物性分析，并通過人工智能技術(shù)模擬出理論熔融溫度。實驗結(jié)果顯示，模擬火星壤在1360攘氏度時可完全熔融，從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，再經(jīng)機器高速拉制，可形成連續(xù)纖維。

采用這種熔融一牽引法，科研人員在不同成纖速度下獲得了連續(xù)模擬火星壤纖維。進一步分析后，科研人員發(fā)現(xiàn)，在較低成纖速度下制備的模擬火星壤纖維，具有更致密的原子結(jié)構(gòu)和較好力學性能，更容易抵抗外界破壞。而隨著成纖速度的提高，纖維的拉伸強度和拉伸模量（指材料在拉伸時的彈性）呈下降趨勢。

此外，科研團隊還從理論上分析了火星低重力、特殊大氣等環(huán)境條件對纖維成纖過程及性能的影響。

應用潛力巨大

單根模擬火星壤纖維的直徑僅為頭發(fā)絲的1／3，但強度卻是同等直徑鋼纖維的2倍，且具有耐腐蝕、耐極端溫度等特性。這意味著火星壤纖維有望成為建設火星基地的理想建材。

“不過，纖維并不能單獨作為建材，它就好比鋼筋結(jié)構(gòu)，必須與混凝土等基體有機融合。80ed1c73f76ca575317bb17772497888”馬鵬程介紹，將多根火星壤纖維合并成一股后，可將其浸入浸潤槽與基體融合，進而制作成建筑材料，再通過3D打印技術(shù)制作出特定形狀的建筑部件。

郭澤世說，在火星，基體制備也可實現(xiàn)就地取材。通過添加黏合劑或施加高壓，可將松散的火星壤轉(zhuǎn)化為相對穩(wěn)定的固體材料。這種材料單獨使用時強度不高，但以此為基體，加入火星壤纖維，就能形成高強度的增強復合材料。

據(jù)了解，我國天問三號任務計劃在2028年前后實施兩次發(fā)射任務，實現(xiàn)火星樣品返回地球。“我們的目標是星辰大海，這個消息讓我們團隊非常興奮，也讓我們看到火星壤研究的廣闊前景。”馬鵬程說，火星重力、大氣等環(huán)境條件與地球相差很大，這要求科研人員對相應的生產(chǎn)工藝和設備進行創(chuàng)新。從理論到實踐，還有漫長的一段路要走。

要實現(xiàn)在火星上“造房子”的夢想尚需時日，但相關(guān)研究成果已展現(xiàn)出巨大的應用潛力。馬鵬程帶領(lǐng)的科研團隊，近年來持續(xù)挖掘玄武巖纖維潛力，不斷拓寬應用領(lǐng)域。例如，將玄武巖纖維和高分子基體結(jié)合起來，通過特定工藝制得的纖維增強復合材料強度高，可以用來制造坦克、艦船、飛機的外殼。

新疆理化所副研究員邢丹介紹，玄武巖纖維本身不導電，長期以來被視為絕緣材料。不過，科研團隊利用玄武巖纖維本身含有的金屬元素，實現(xiàn)了碳納米材料在纖維表面的可控生長，成功獲得了導電纖維材料，增加了玄武巖纖維的功能價值，拓展了材料在電磁屏蔽等領(lǐng)域的應用前景。

玄武巖纖維還有望在氣體凈化領(lǐng)域大展身手。科研團隊將玄武巖纖維與納米纖維素纖維進行復合，成功研發(fā)出一種環(huán)保型高效PM0.3（可入肺顆粒物）空氣過濾材料。該材料的PM0.3初始過濾效率超過99.99％，綜合過濾能力優(yōu)于部分商業(yè)化的高效空氣過濾材料。此外，該復合纖維濾材具有優(yōu)異的機械強度、耐高溫和耐火性能，經(jīng)180攝氏度高溫處理后，對PM0.3的過濾效率仍可保持在92％以上。