微生物碳酸化氧化镁3D打印月球模拟月壤：一种新型月球建筑材料的制备与性能研究

为解决月球基地建设中建筑材料制备难题，研究人员创新性地提出利用微生物碳酸化氧化镁(MgO)作为粘结剂，结合3D打印技术制备月球模拟月壤(LRS)结构。研究发现，相较于水基砂浆，微生物基砂浆具有显著不同的流动性和可建造性，其3D打印试件的抗压强度可提升数倍。该研究为月球原位资源利用提供了新思路，对实现可持续月球居住具有重要意义。

　　

随着人类太空探索步伐的加快，月球作为深空探测的中转站和资源补给基地，其建设需求日益迫切。然而，将地球建筑材料运往月球成本高昂，每公斤物资的运输成本高达数万美元。因此，利用月球原位资源进行建设成为必然选择。月球表面覆盖着厚达数米的月壤层，其主要成分为硅酸盐矿物，这为就地取材提供了可能。但月壤本身缺乏粘结性，如何将其转化为可用于建筑的结构材料成为亟待解决的科学难题。

传统月壤成型方法主要包括烧结法、粘结法和约束法。烧结法需要将月壤加热至1000℃以上，能耗极高；而粘结法依赖地球运输的粘结剂，如水泥、硫磺或环氧树脂等，成本居高不下。更棘手的是，月球环境极端恶劣，昼夜温差达300℃，真空环境下水极易挥发，这些都制约着传统建筑技术的应用。在此背景下，开发新型月壤成型技术成为国际研究热点。

针对这一挑战，重庆大学土木工程学院的研究人员创新性地提出将微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)技术与3D打印相结合，利用微生物碳酸化氧化镁作为粘结剂制备月球建筑材料的解决方案。相关研究成果发表在《Biogeotechnics》上。

研究人员采用的主要技术方法包括：(1)制备与真实月壤颗粒级配和化学成分相似的月球模拟月壤(LRS)；(2)利用巴氏芽孢八叠球菌(Sporosarcina pasteurii)水解尿素溶液，制备微生物碳酸化溶液；(3)通过跳桌试验、绿色强度测试等方法系统评估砂浆的流动性和可建造性；(4)采用大型3D打印机打印复杂结构，并测试其力学性能；(5)利用扫描电镜(SEM)分析微观结构特征。

在材料特性研究部分，研究人员发现微生物基砂浆展现出独特的流变特性。跳桌试验显示，在相同水胶比(W/B)下，微生物基砂浆的流动直径显著大于水基砂浆，这归因于细菌溶液中的静电排斥效应。当水胶比为0.34时，微生物基砂浆的流动直径达到20.5 cm，而水基砂浆仅为13.75 cm。此外，添加0.2%的缓凝剂可有效延长砂浆的可操作时间，使其流动直径在60分钟内仅从18.3 cm降至10.5 cm。

绿色强度测试结果揭示了微生物基材料的快速硬化特性。测试显示，微生物基砂浆在240分钟时的绿色强度达到2.11 MPa，是水基砂浆(0.3 MPa)的7倍。这种快速硬化特性使其特别适合3D打印工艺，能够保证打印结构的层间粘结质量。

在3D打印性能方面，研究发现羟甲基纤维素(HMC)的添加显著改善了打印质量。未添加HMC的砂浆打印时会出现明显裂纹，而添加0.1% HMC后，打印表面变得光滑均匀。值得注意的是，打印参数对结构建造性影响显著：当挤出速度从50 mm/s提高到150 mm/s时，打印墙体的层数、高度和宽度分别增加了35%、28%和22%。

力学性能测试获得了令人振奋的结果。28天龄期时，微生物碳酸化试件的最高抗压强度达到11.25 MPa，是水基试件(1.88 MPa)的6倍。微观结构分析揭示了强度提升的机理：微生物基试件中形成了大量水合碳酸镁晶体，这些晶体填充孔隙并增强颗粒间粘结，而水基试件中主要生成强度较低的氢氧镁石(水镁石，brucite)。

研究还发现了一些有趣的现象：对于水基试件，抗压强度随砂胶比增加而提高；而微生物基试件则呈现相反趋势，当砂胶比从0增至100%时，平均强度从10.22 MPa降至7.65 MPa。研究人员认为这可能是由于机制砂表面光滑，削弱了与粘结剂的界面结合。

在讨论部分，作者指出这项研究证实了微生物碳酸化氧化镁作为月球建筑粘结剂的可行性。该方法仅需20%的MgO添加量就能获得可观的结构强度，且MgO可通过酸浸法从月壤中的橄榄石提取，微生物可利用人类尿液和厨余垃圾培养，真正实现了原位资源循环利用。研究人员打印出了能承受一定荷载的复杂结构(如图8所示)，验证了该技术的工程适用性。

这项研究的创新点在于首次将微生物碳酸化技术与月壤3D打印相结合，为解决月球建设中的材料问题提供了新思路。相比传统方法，该技术具有能耗低、材料可原位获取等优势。未来研究可进一步优化MgO含量、探索生物基添加剂，并考虑真实月壤特性对工艺的影响。这些成果不仅适用于月球基地建设，对地球上的可持续建筑技术发展也有重要启示意义。