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人类该如何在火星上盖房子?第一步“夯土”

北极蚊子 2017-5-3 13:12

火星是太阳系中与地球最为相似的行星,也是未来唯一有可能实现大规模移居的星球。预计2030年左右,人类将首次登陆火星。未来100年,在火星上的人口规模有可能达到一百万人,从而使人类实现在地球之外的跨星球生存。

移民火星,必需建设定居点。建设定居点现实可行的方案,就是利用火星上原本就有的资源,比如土壤,石块,水等,来生产砖块、防护辐射、建造望远镜基座、火箭发射台等结构。

住在火星上,需要解决的第一个问题是什么?不,不是学区房……


“土壤”是由岩石风化而成的,其中含有动物、植物、微生物等有机体腐烂分解后的有机质。在火星的土壤中还没有探测到有机质的存在,因此,火星土壤与地球土壤存在本质区别,用风化层(regolith)描述火星土壤可能更为准确。火星土壤是由火星表面岩石经风化作用形成的,由细颗粒组成且可渗透性的风化层物质。于是,如何用火星土壤制砖,成了科学家们研究的课题。

此前,已经有学者进行了这方面的探索,但都需要加入一定比例的添加剂,或者需要进行高温煅烧。而在昨晚发表的研究中[1],我们发现,不用加入添加剂,直接加压成型,我们就能制成“火星砖”了。

在该项研究中,研究者采用一种代号为Mars-1a的模拟火星土壤,进行了生产结构材料的实验。压砖的方式包括静态加压、冲击加压两种方式。压砖时的外壳模子,分别包括弹性模子、无模子、刚性模子三种方式。然后分别比较这些方式压制的砖块强度。

论文中展示了其中一块采用静态加压、刚性模子的方式生产的砖块。砖块宽度约为1厘米,长度为三四厘米。

在显微镜下可以看到,是纳米级别的氧化铁颗粒,把模拟火星土壤粘结了在一起。


火星土壤自然而然会含有一些石块,但大多是玄武岩。玄武岩是火山喷发形成的,通常只需要1-10兆帕的压力就可以把石块压碎。而实际上,实验中压砖过程的压力至少可以达到三四十兆帕,远高于玄武岩的强度。研究发现,在压砖前,模拟火星土壤的颗粒大小约为25-45微米。压成砖块后,其中大部分颗粒的直径都小于10微米。所以,如果火星土壤中含有的石块,在压砖过程中都会被压碎。土壤中是否含有小石子,对砖块的强度基本没有影响。但玄武岩在砖块中的作用就像沙子一样,并不能提供粘结力。

用直接压制这种方式生产的砖块,之所以不需要添加剂,主要原因在于,模拟火星土壤中含有的氧化铁颗粒使土壤粘结在一起。这种氧化铁颗粒极为细小,只有纳米级大小,起到了很好的粘合剂的作用

“火星砖”摄影:David Ballot,材料处理:Brian J. Chow and Yu Qiao


说到土壤中含铁的矿物,不得不说一点烧脑的名词。这三种很容易混淆的矿物,分别为磁铁矿、赤铁矿、针铁矿,它们的成分依次为四氧化三铁(Fe3O4)、三氧化二铁(Fe2O3)、羟基氧化铁(FeOOH)。其中尤以针铁矿的比表面积较大,可以提供强烈的粘合作用。

研究发现,砖块的强度不仅与施加的压力有关,也与压砖时采用的模子有关。因为不同模子的边界受压情况不同,导致了砖块强度也有差异。只有具备弹性的模子,才能在压砖过程中扩张,让土壤颗粒得以旋转,从而使不同颗粒之间的接触面积最大,增强粘结力。因此,要压得一手好砖,模子也很重要。

实验发现,利用火星土壤,采用一步压砖的方式,在约30-50兆帕的压力下,用静态加压或冲击加压的方式,都可以生产出砖块。其中,氧化铁纳米颗粒提供了土壤颗粒主要的粘结力。如果在土壤中加入纤维等加强筋,还可以提高砖块的强度。

紧密小巧的“火星巧克力(?)砖


可能还有好奇宝宝会问,这是模拟火星土壤做的实验,真的到了火星上,这种方式还会管用吗?事实上,人类已经进行了四十多次火星探测,获得了大量火星土壤的探测数据,地球上也收集了许多来自火星的陨石。虽然人类还没有登陆火星。但科学家其实对火星已经相当了解,火星是整个太阳系除地球外,人类了解最为透彻的一颗行星。而模拟火星土壤,正是以真正的火星土壤成为模拟对象,以地球上的天然岩石和矿物为原料,经过一定的加工,在物理性质和化学组成方面与火星土壤最为相似的物质。

建设火星城市必须要做的烧砖、生产氧气、提取水、种土豆(咦?)等工作,先模拟火星土壤进行地面实验,是必不可少的。

2020年,中国人也将发射火星探测器奔赴火星。中国科学家目前正在积极开展相关研究,尽可能充分地了解火星表面的环境特征和土壤的承载能力等基本情况。只有我们对火星的情况了解得越充分,我们登陆火星才越有把握。

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