综述：月球模拟月壤固化方法综述：整合化学、物理和MICP策略的地外建造

《Biogeotechnics》：An overview on lunar regolith simulants solidification methods: integrating chemical, physical, and MICP strategies for extraterrestrial construction

这篇综述系统梳理了月球模拟月壤（LRS）的多种固化技术，涵盖聚合物、地质聚合物（geopolymer）、烧结（sintering）和微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）等策略。文章深入探讨了各种方法的反应机理（如Si-O-Al网络形成、CaCO3沉淀）、力学性能（如抗压强度>40 MPa）及其在极端月球环境（如真空、高低温波动）下的适应性，为利用原位资源（ISRU）进行可持续地外建造提供了关键见解和优化方向。

　　

月球模拟月壤固化方法综述：整合化学、物理和MICP策略的地外建造

随着月球探索向长期人类驻留迈进，利用原位资源（ISRU）建造耐久基础设施成为核心挑战。月球表面主要由月壤覆盖，这种由微陨石撞击形成的细粒、棱角状颗粒材料，因其松散结构、缺乏水分和极端环境条件，其直接应用于建造面临巨大挑战。月球模拟月壤（LRS）作为真实月壤的替代品，其物理力学性质、矿物化学组成及微观结构特性是评估各种固化方法有效性的基础。

月球模拟月壤及其特性

月球模拟月壤具有广泛的粒径分布、棱角状形态和低内聚力等特征。其矿物组成以辉石、斜长石、橄榄石、钛铁矿和玻璃质为主，化学组成则富含SiO₂、FeO、CaO、Al₂O₃等氧化物。这些特性共同决定了月壤的工程性能，也直接影响后续固化策略的选择与效果。世界各航天机构开发了多种LRS，如美国的JSC-1A、中国的CAS-1、欧洲的EAC-1A等，它们在粒径分布、矿物含量等方面力求模拟真实月壤，但仍存在差异，影响其用于固化研究的保真度。

固化方法

化学固化

化学固化通过引入化学试剂或形成粘结网络来增强LRS的颗粒间内聚力和力学性能。主要包括聚合物固化和地质聚合物固化。

聚合物固化利用热固性聚合物（如环氧树脂）、热塑性聚合物（如聚丙烯PP）或功能性聚合物（如UV固化树脂）形成三维网络结构，粘结月壤颗粒。热固性聚合物复合材料表现出最高的抗压强度（30-80 MPa），而热塑性聚合物（20-60 MPa）则因其可回收性和适用于挤出式增材制造（MEAM）而显示出优势。功能性聚合物，如UV-热双固化体系，能利用月球紫外线辐射和环境热量进行快速固化。

地质聚合物固化则利用LRS中的铝硅酸盐组分，在碱性激活剂（如NaOH）作用下，发生溶解、聚合、凝胶化等过程，形成Si-O-Al网络结构，从而固化。研究表明，在适当的NaOH浓度（如8 mol/L）和温度（33.5–84.5°C）下，地质聚合物固化LRS可获得超过35 MPa的抗压强度。然而，月球极端环境如真空条件会导致激活剂溶液蒸发，抑制反应，增加孔隙率；低温则可能引发冻融循环，产生微裂纹，影响长期性能。

物理固化

物理固化主要通过外部物理作用（如热处理）来增强材料稳定性，其中烧结是最受关注的技术。烧结通过高温（通常高于1000°C）引发颗粒间扩散和致密化，形成坚固结构，无需额外粘结剂。

月球真空环境有利于烧结过程，例如JSC-1A在1100°C真空烧结即可实现有效致密化，而在空气中则需要更高温度（1125°C）且可能因氧化反应影响材料性能。不同LRS因其矿物组成不同，其烧结行为各异，如JSC-2的软化点较高（1129°C），而CUG-1A则较低（1103°C）。微波烧结和3D打印烧结等新兴技术也显示出应用潜力，例如激光熔化EAC-1A可获得高达216 MPa的抗压强度，但热冲击裂纹管理是关键挑战。

生物固化（MICP）

微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）是一种低能耗、基于ISRU的固化方法。其原理是利用脲酶细菌（如芽孢杆菌属）催化尿素水解生成CO₃^2-，在碱性环境中与Ca²⁺反应沉淀出CaCO₃，从而粘结颗粒。

研究表明，在模拟月球低重力环境下，脲酶活性和CaCO₃沉淀过程基本不受影响，pH值甚至略高于常重力条件。然而，低重力下月壤的贯入阻力（PR）和剪切强度显著降低，归一化贯入阻力（NPR）则因初始竖向应力减小而显得较高，这反映了低重力环境下月壤压实度和内聚力的减弱。通过优化胶结液（如添加生物碳化MgO），MICP固化LRS可获得最高约10 MPa的抗压强度，展示了其在制造“太空砖”和3D打印结构方面的潜力。

结论

月球模拟月壤的固化研究是实现地外建造的关键。化学固化（聚合物、地质聚合物）能有效提高内聚力，但其性能受月球极端环境（真空、高低温）制约。物理固化（烧结）可实现高度的致密化和力学强度，其工艺需根据LRS的矿物学特性进行优化。生物固化（MICP）作为一种有前景的低能耗ISRU策略，在低重力下仍能有效进行，但月壤在低重力下的力学响应减弱，需进一步研究其对固化体宏观性能的影响。未来研究需综合考虑材料特性、固化方法与环境适应性之间的相互作用，以优化月球基础设施的建造策略。