一些月球风化层更适合在月球陆地上生活

从现在到2030年代中期，多个航天机构希望将载人任务发送到月球。这些计划都涉及在月球南极地区建立基地，包括阿耳忒弥斯大本营和国际月球研究站(ILRS)。

根据美国宇航局阿耳忒弥斯计划的任务声明，这些设施将实现“月球探索和开发的持续计划”。在所有情况下，在地面上建设设施的计划都需要一个称为原位资源利用(ISRU)的过程，其中将当地资源用作建筑材料。

这带来了一些问题，因为并非所有月球土壤(风化层)都适合建造。就像地球上的工程和建筑项目一样，建筑商需要知道他们正在建造的土壤类型以及它是否可以用来制造混凝土。

在一项研究中，地质学家凯文·M·坎农提出了一种用于空间资源利用的月球土壤分类方案。这可能对未来的月球任务产生重大影响，它将有助于根据土壤类型和位置建设基地、栖息地和其他设施。

Cannon博士是科罗拉多矿业大学(科罗拉多州戈尔登市的一所工程大学)地质学、地质工程和空间资源项目系的助理教授。他的研究重点是地质过程在太阳系不同天体表面行星物质的形成和演化中所起的作用。描述他提出的方案“用于空间资源利用的月球土壤分类系统”的论文发表在《行星与空间科学》杂志上。

对于航天机构来说，ISRU归根结底是收集当地资源来制造建筑材料并满足宇航员的基本需求(水、空气、燃料等)。这减少了需要发射到太空的预制组件或材料的数量，从而大大降低了过程中的成本。

多年来，美国宇航局(NASA)、欧洲航天局(ESA)和其他航天机构一直在研究如何将月球风化层用作3D打印机的原料。与粘合剂结合或烧结以产生熔融陶瓷，然后可以将这种风化层“打印”到充气模块上以创建各种设施。

由于机器人任务和阿波罗宇航员进行的土壤分析和样本返回任务，科学家们对月球土壤的成分有了很多了解。特别是，他们了解到(就像地球上的土壤一样)不同地点的成分有所不同。

“在地球上的任何建筑项目中，你都想知道你正在什么样的地面上建造，”坎农通过电子邮件解释道。“在月球上几乎肯定也是如此，这有助于一个人向另一个人描述土壤的一致方案。”

在地球上，土壤分类方案用于从建筑和土木工程项目到环境科学的各个领域。土壤类型也会影响保留的考虑因素，例如需要多深的地基，具体取决于正在建造的项目或高速公路路堤的坡度。然而，这些方案并不适用于月球环境：

“地球上的土壤分类很大程度上取决于土壤由粘土和水造成的‘可塑性’程度，并且经常会发生这样的分类，例如土壤主要是粗砾石或主要是细粉砂。在月球上没有粘土。，土壤完全干燥，几乎到处都有不同粒径的均匀混合物。所以我们在陆地上使用的系统真的不会转移。”

此外，还有形成机制，在月球上也有显着不同。地球上的土壤是由水和风的“风化”(侵蚀)产生的，而月球风化层则是由火山活动和小行星、流星体和微流星体的长期撞击共同形成的。

其结果是月球表面覆盖着一层厚厚的岩石碎片、玻璃珠(撞击和火山)、含铝矿物(斜长石)和凝集岩——一种由部分熔融的火山弹形成的火山碎屑火成岩，仅发现在月球上。

为了开发他的分类方案，坎农使用了阿波罗土壤样本的样本数据，并开发了整个月球的概念验证图。为了确定哪些土壤类型非常适合建筑目的，他的方案考虑了月球风化层的两个关键特征：铁含量和颗粒大小。

从成分来看，月球风化层由(按质量分数排列)元素氧、硅、铁、钙、铝、镁和其他微量元素组成。此外，晶粒尺寸通常为40-800微米(0.04至0.8毫米)，大多数在45-100微米之间。

由此产生的分类方案简单、优雅，并且可以应用于月球上的任何地方。“月球系统应该是简单的，涉及测量土壤的化学成分和平均颗粒尺寸。

这两个指标为您提供了九种不同的土壤类别，”坎农说。“然后可以使用添加额外信息的“标签”来扩展系统。例如，月球土壤可以通过月球车或宇航员在地面上进行的测量，或者通过轨道上的卫星数据进行分类。”

幸运的是，这种分类方案的应用超出了基地建设的范围。根据土壤成分识别土壤是寻找特定任务所需资源的绝佳方法。其中包括富含水冰的土壤，水冰可用于从饮用水和灌溉到氧气和推进剂——液氢和液氧(LH2和LOX)等各种用途。它还包括制造基础设施、车辆和各种部件所需的其他矿物元素。正如坎农总结的那样：

“这对我们用土壤做的各种事情都有影响，比如从土壤中提取金属和氧气，但特别是对于建筑来说，我们实际上认为很多结构最终将通过3D打印由土壤本身制成。一些土壤“类型将在较低的温度下融化，并且颗粒尺寸分布更均匀，在这种情况下，这将成为更好的原料。或者，对于任何类型的建筑，土壤的可压缩程度将从一种土类到另一种土类而变化。”