自從美國(guó)總統(tǒng)特朗普制定了 2024 年前重返月球的計(jì)劃后，美國(guó)宇航局(NASA)及其合作伙伴一直在為這一目標(biāo)而努力。上個(gè)月底，NASA 與三家公司簽訂了研發(fā)載人登月飛船的合同。但 NASA 的野心很大，登月也只是一個(gè)開始，NASA 計(jì)劃在 2028 年之前建立一個(gè)永久性的月球基地，作為前往火星的踏腳石。
建造月球基地的新材料如果宇航員想長(zhǎng)期待在月球上，他們就必須了解如何在月球表面的風(fēng)化層上生活。從地球運(yùn)送所有物資的話費(fèi)用太高，宇航員們將不得不創(chuàng)造性的利用月球表面的有限資源。月球上的泥土是一種很好的建筑材料，而且南極的水冰可以用于制造火箭燃料，但其中最熱門的資源很可能是宇航員自己的尿液。
今年年初，歐洲一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)，人類尿液中含量?jī)H次于水的尿素，可以與月球上的泥土混合成為一種建筑材料。這種材料通常被稱為地質(zhì)聚合物，它具有與混凝土相似的特性，未來可能用于月球的著陸點(diǎn)、棲息地和其它基礎(chǔ)設(shè)施的建造。
在地球上，地質(zhì)聚合物經(jīng)常被用作傳統(tǒng)混凝土產(chǎn)品的環(huán)保替代品。水泥是混凝土的主要成分，制造過程不僅需要高溫，還會(huì)釋放大量二氧化碳。但是地質(zhì)聚合物根本不需要太多能量，而且水泥也被巖石粉末或者煤炭燃燒產(chǎn)生的粉末取代。當(dāng)它與水和某些活性化合物混合時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一種類似于膩?zhàn)右粯拥奈镔|(zhì)，可以塑造成任何我們需要的形狀。
地質(zhì)聚合物的缺點(diǎn)在月球上，用磚建筑的效率太低，而且會(huì)限制建筑的種類，但 3D 打印技術(shù)可以建造更復(fù)雜的棲息地。未來月球上的大多數(shù)基礎(chǔ)設(shè)施很可能將由工業(yè) 3D 打印機(jī)完成。月球表面的風(fēng)化層與飛灰有相似的化學(xué)成分，這意味著地質(zhì)聚合物是月球上一種極具吸引力的建筑材料。但地質(zhì)聚合物也有缺點(diǎn)，它需要混合大量的水才能通過 3D 打印機(jī)的噴嘴流出。
歐洲航天局先進(jìn)概念研究團(tuán)隊(duì)成員馬里斯 · 安霍夫稱：“月球表面的水是非常非常寶貴的資源，所以我們這項(xiàng)研究的主要目標(biāo)之一就是如何減少地質(zhì)聚合物所需的水量。”
高級(jí)減水劑能夠用來降低混凝土和地質(zhì)聚合物的用水量，并且保持其流動(dòng)性，但在地球上通常使用的是萘和聚羧酸。安霍夫和同事們研究發(fā)現(xiàn)，尿素的效果也一樣好，而且很容易在月球上找到，可以通過過濾宇航員尿液中的廢棄物來收集尿素。
為了驗(yàn)證這一想法，研究人員將人造尿素粉末與月球塵土的模擬物混合，然后在 3D 打印機(jī)中進(jìn)行了模擬。之后，他們將結(jié)果與傳統(tǒng)的地質(zhì)聚合物進(jìn)行了比較。挪威東福爾大學(xué)的材料學(xué)家安娜 · 莉娜 · 基尼克森說 :“這種材料表現(xiàn)相當(dāng)不錯(cuò) , 整體效果很好，尤其是在避免裂紋方面。”
充當(dāng)宇航員的保護(hù)傘這種聚合物還可以幫助宇航員在月球表面建造庇護(hù)所，為其阻擋危險(xiǎn)的電離輻射。月球沒有大氣層或強(qiáng)磁場(chǎng)來阻擋太陽輻射，因此宇航員在月球表面長(zhǎng)期停留會(huì)增加患癌風(fēng)險(xiǎn)。在地球上，地質(zhì)聚合物已經(jīng)成為存儲(chǔ)核廢料的候選材料之一，因此同樣也能保護(hù)月球上的宇航員。
歐洲航天局正試圖通過研究來確定以尿素為原材料的地質(zhì)聚合物是否能有效屏蔽輻射。他們還需要證明是否能夠在月球上制造出這種材料。在最近的研究中，安霍夫和同事們?cè)谑覝氐穆短飙h(huán)境中制造出了地質(zhì)聚合物。但月球表面的低重力和真空環(huán)境，讓 3D 打印設(shè)備面臨更高的挑戰(zhàn)。地質(zhì)聚合物還需要能夠承受月球 126 到零下 173 攝氏度之間的巨大溫度波動(dòng)。
尿液可能不夠用美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)的行星科學(xué)家兼月球資源專家菲爾 · 梅茨格稱，即使不含有尿素，地質(zhì)聚合物也有希望替代傳統(tǒng)的燒結(jié)方法，而后者也是科學(xué)家們正在探索的另一種月球基地建造方法。但這種方法需要借助大量的能量爆破風(fēng)化層，使其熔化在一起。
但問題在于，在月球上很難獲得能量。而且建造大型建筑需要一座兆瓦級(jí)規(guī)模的太陽能發(fā)電廠，并將其所有電力供給燒結(jié)設(shè)施。雖然以地質(zhì)聚合物為基礎(chǔ)的建筑更容易規(guī)模化，但梅茨格懷疑尿液能否最終成為月球上首選的高級(jí)減水劑。他認(rèn)為，高級(jí)減水劑很可能會(huì)從地球運(yùn)來或者從月球冰中開采出來。
梅茨格說 :“我不知道月球上的尿液是否足夠。我不認(rèn)為會(huì)有那么多人在月球上撒尿。當(dāng)然，NASA 也不可能向月球發(fā)射裝滿尿液的火箭。”
用尿液種植蔬菜可能更適合
事實(shí)上，宇航員的尿液還有很多其它用途。比如回收并飲用，就像國(guó)際空間站的宇航員那樣。盡管月球的南極有結(jié)冰的水，但目前還不清楚提取和使用的難度有多大。其中還可能含有汞和硫化氫等有毒物質(zhì)，必須經(jīng)過凈化后才能供人類安全飲用。
即使人類最終能夠飲用月球水，用宇航員的尿液制造地質(zhì)聚合物仍然不是最好的選擇。相反的是，它可能更適合種植蔬菜。尿素能夠分解成氨和二氧化碳，而且某些類型的微生物擅長(zhǎng)將氨轉(zhuǎn)化為常見的肥料——硝酸鹽。
這意味著尿液也可以在獨(dú)立的生命支持系統(tǒng)中使用，除了回收水和還可以回收尿素用作蔬菜種植的肥料。德國(guó)航空航天中心的研究人員多年來一直在人類尿液中栽培蔬菜。2018 年年底，他們還向地球軌道發(fā)射了一顆衛(wèi)星，測(cè)試了以尿液為肥料的迷你溫室模型。
在貧瘠的月球環(huán)境中，每一滴液體對(duì)于宇航員來說都是寶貴的資源。因此，無論是用作建筑材料、肥料還是維持生命，在人類進(jìn)入太陽系冒險(xiǎn)的過程中，尿液似乎都將發(fā)揮重要的作用。
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