中國地質大學（武漢）Appl. Clay. Sci.：風化層資源的就地利用和月球/火星棲息地增材制造的未來探索：綜述

近日，中國地質大學（武漢）先進設計與制造團隊郝亮教授課題組題為《風化層資源的就地利用和月球/火星棲息地增材制造的未來探索：綜述》的研究成果，被地球科學類重要期刊（《Applied Clay Science》，影響因子：5.907，地球科學類中科院2區、工程技術類中科院2區）錄用。論文第一作者為已畢業碩士研究生王雨珅和郝亮教授，郝亮教授、李妍副教授和孫慶磊副教授為本論文的共同通訊作者。中國地質大學（武漢）行星科學研究所所長、中國航天局探月與航天工程中心科學顧問、載人航天工程空間科學與應用領域專家組成員、中國科學院空間科學研究院戰略專家成員肖龍教授為本論文的合作作者。

月球/火星上的就地資源利用是探索外層空間的前沿熱點。該綜述全面概述了可應用于月球/火星的幾種增材制造技術的最新研究，提出了極端環境下幾種可能的棲息地設計和建設策略。增材制造技術作為人類在月球/火星定居前的必要無人施工工藝，為月球/火星復雜三維物體的制造提供了新的機遇，正成為利用外空就地資源的主要動力。

風化土是在月球或火星表面建造棲息地和物體的就地自然資源。本文首先介紹了可應用于月球/火星的幾種增材制造技術的最新研究，包括增材制造過程的環境影響（如溫度、重力和真空）以及就地材料利用，重點是月球/火星土壤的特性、選礦和處理。

（1）漿料直寫技術打印（DIW，圖1）：通過調節添加劑的種類和配比，可打印出具有復雜結構、高彈性的樣件。

圖1 月壤/火壤模擬物DIW打印樣件

• 粉末噴墨技術打印（圖2）

圖2 (a)模型，(b)概念，(c)，(d)粉末基噴墨套結構加工，(e)打印物體的蜂窩結構

（3）激光選區熔融技術打印（圖3）

近年來，隨著激光金屬增材制造技術的快速發展，其已展示出在力學強化、多尺度精確調控和復雜結構一體化精密制造領域的優勢。本文提出了月球和火星極端環境下棲息地的幾種可能設計和建造策略。

圖3 激光選區熔融技術打印的月球/火星風化層模擬物部件

1. a. 多功能基地集群的布置策略（圖4）：單個基地很難容納多個太空任務，在建造月球/火星基地時需要多功能基地集群。

圖4 多功能基地集群(a)配備生命支持系統的月球前哨艙，(b)太陽能動力系統塔，(c)微波燒結器概念，(d)基地布局

1. b. 多層防御基地的增材制造技術（圖5）：棲息地的設計應考慮三個基本方面，分別提供熱保護、機械保護和輻射保護。

圖5 高性能（防輻射、抗高溫差等）建筑外殼的搭建

1. c. 采用可持續增材制造的設計（圖6）：從地球上獲取的資源有限，就地資源利用可有效降低對陸地材料的需求和地球發射成本。

圖6 利用生物廢棄物作為添加劑的可循環增材制造方案

增材制造技術在月球/火星上應用所面臨的挑戰：

（1）微重力的影響與模擬測試（圖7）：1）氣流輔助法改善微重力條件下粉末難沉淀問題；2）采用噴粉激光熔融技術，避免使用粉床基底。

圖7 (a)流動輔助粉末沉積過程，(b)模擬μ重力環境的拋物線飛行，(c)光學顯微鏡的前(左)和側(右)面視圖和(d)飛行期間制造的標本的最后物體，(e)輥式、箱型、v型三種涂覆設計。

（2）可移動和可擴展的增材制造設備設計（圖8）：可伸縮/折疊支架的設計和可移動設備的設計。

圖8 (a)移動式輪廓制作操作設計，(b)可伸縮結構的備選梁設計，(c)機器人打印拱頂結構，(d)用硫磺混凝土漿料打印的拱頂結構模型

（3）外層空間增材制造的能量收集和利用（圖9）：太陽能、核反應堆及其它熱電轉換技術。

圖9 (a)太陽能灶示意圖，(b)燒結過程中太陽能灶實驗裝置的3D示意圖，(c)模擬風化層沉積過程中的三維草圖，(d)太陽能模擬器的氙氣燈，(e)太陽模擬器實驗裝置的3D示意圖

（4）近真空環境中的增材制造：1）擠壓成形：噴射不穩定或失敗；2）激光熔融沉積：月球/火星上的粉末輸送過程挑戰。

增材制造技術作為人類在月球/火星定居前的必要無人施工工藝，為月球/火星復雜三維物體的制造提供了新的機遇，正成為利用外空原位資源的主要動力。

該研究得到了國家自然科學基金（No. 51902295）、武漢市科技局應用基礎前沿研究（No.2019020701011454）、中央高校基本科研業務費專項資金（No. CUG2021234）、湖北省博士后創新研究崗位、硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室開放基金（No. SYSJJ2022-14）的支持。

論文信息：

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

課題組介紹

中國地質大學(武漢)先進設計與制造團隊依托于中國地質大學(武漢)珠寶學院與機電學院，團隊先后承擔了國家重點研發計劃項目、國防973項目，國家自然科學基金、湖北省揭榜制科技項目、裝備預研教育部聯合基金一般項目、航天科技創新重點基金等項目。在國內外重要期刊發表學術論文380余篇，其中入選高被引論文10篇，申請或授權中國發明專利42項。團隊近年來圍繞國家重大戰略需求，瞄準地質工程、地質災害模型預警與檢測、地質災害應急搶險礦物材料與工藝、航空航天發動機推力室等增材制造與精密成形前沿技術，促進增材制造技術在地質工程、航空航天、醫療健康、智能穿戴等制造領域的拓展應用。團隊負責人郝亮教授曾與英國空中客車等企業合作開展了輕質航空零件的低碳設計制造技術研發與應用示范，通過跨學科交叉(設計、制造與計算機等)數字經濟項目研發了規模化實物產品共享制造與價值共創模式，獲得了世界知名CAD/CAM軟件公司DELCAM的支持。

第一作者及通訊作者簡介

郝亮，中國地質大學(武漢)教授/博導，珠寶學院副院長，先進制造研究所所長，湖北省珠寶工程技術研究中心常務主任，湖北省高層次專家，湖北省“產業教授”、湖北省特種加工協會副理事長、“創新創業戰略團隊帶頭人”等榮譽稱號在英國期間主持/參與包括英國工程和物理科學基金、科技發展局、皇家工程協會、歐盟和企業如英國空中客車公司資助的超過300萬英磅的研究項目(含兩項大型歐盟項目)，研發了世界首個激光粉末床熔融輕量化鈦合金構件并經過航天飛行測試(2009)。回國后主持/參與國家自然基金面上項目2項、國家重點研發計劃、國際合作交流項目和湖北省揭榜制科技項目及多項省部級資助項目。在國外國內核心期刊與重要會議發表100多篇論文，含5篇高被引論文，獲批發明專利12項，撰寫相關英文學術著作5部。被引次數9980次，H-index 50。

通訊作者簡介

李妍，倫敦大學材料科學博士，副教授，博士生導師，珠寶學院實驗教學中心主任，“地大學者”青年拔尖人才（2021），“地大學者”青年優秀人才（2017）。入職后主持十項科研項目（含國家自然基金青年項目，武漢市科技局項目，中央高校杰出人才項目，湖北省自然基金面上項目）。參與八項科研項目（國家重點研發計劃子課題，國家自然基金面上項目，湖北省揭榜項目，中英國際交流合作項目、英國戰略技術委員會資助Nanosynth Project項目，歐盟Polygraph項目）。發表高水平學術論文61篇，SCI論文43篇（第一作者/通訊作者發表論文30篇），參編英文專著3部（2部Elsevier 出版），參編中文專著1部和中文教材1部。長期擔任10余個國際學術期刊雜志審稿人，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。

通訊作者簡介

孫慶磊，副教授，華中科技大學機械科學與工程學院博士，丹麥科技大學聯合培養博士。從事地質礦物材料制備和LED封裝技術研究。現主持中央高校基本業務經費1項、硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室開放基金1項、湖北省博士后創新研究項目1項、深圳市高新技術企業委托開發項目2項、湖北省珠寶工程技術研究中心開放項目1項，參與過國家自然科學基金、湖北省重點研發計劃等。已發表學術論文34篇，其中第一作者SCI文章11篇（包含中科院1區2篇、中科院2區5篇、中科院3區3篇、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊1篇），通訊作者3篇（其中ESI高被引文章1篇），授權和公開發明專利各2項。擔任Additive Manufacturing，Journal of Alloys and Compounds, Ceramics International, Crystals等國際期刊的審稿人。