美国宇航局计划利用火星泥土在火星上建造房屋

杰弗里·蒙特斯站在泥地竞技场中央的梯子上，眯着眼睛看着这个看起来像是世界上最大的花瓶的圆形花瓶。对于一个用红色粘液建造三分之一大小的火星家园模型的人来说，他的卡其裤和黑色 T 恤非常整洁。当你把脏活外包给机器人时，整洁就出现了。

蒙特斯和建筑公司 AI SpaceFactory 的同事们正在伊利诺伊州皮奥里亚附近的一个宽敞的展厅里向 NASA 展示宇航员如何利用 3D 打印和火星材料在这颗红色星球上建造房屋。在花了近 30 个小时观看他们定制的打印机喷出一个名为“Marsha”的巧克力色住所后，他们只剩几分钟时间了，NASA 的 3D 打印住所挑战赛就要结束了。该公司唯一的 50 万美元奖金竞争对手是宾夕法尼亚州立大学的一个团队，他们在几分钟前完成了灰色混凝土双层冰屋。

想想火星上的房屋，你可能会想到这种形状。但蒙特斯是一名建筑师，他花了 17 个月的时间设计 Marsha（用于火星栖息地）及其打印设备，他看到的更像是一个罐子。或者一个瓮。或者一个鸡蛋。“它甚至具有雌雄同体的特性，外面有点像阴茎，里面则是……”他停顿了一下。“不管阴茎的反义词是什么。”（阴阜。）在里面，蒙特斯设想了几个楼层，红色星球的居民将在这里生活、工作和娱乐，还有一个天窗，他们可以在天窗下凝视星空或沐浴在稀薄的火星大气中折射的阳光下。但这意味着要把圆形窗户固定在一个 15 英尺高、仍然很柔软的结构上。混合物很快凝固，但还不足以满足 NASA 迫在眉睫的最后期限。随着打印机喷嘴爬得越来越高，Marsha 的上层会略微下垂。

机器人在还剩三分钟时完成安装，然后将聚碳酸酯天窗缓慢地推入到位。在最后几秒钟，数十人（包括来自 NASA 的摄制组）注视着安装过程，蒙特斯下令将其释放。每个人都屏住呼吸，希望玛莎不会屈服。

定居火星的人们在某种程度上必须依靠这片土地生活。离火星最近的行星距离我们 3500 万英里。使用现有技术将物资运送到火星的成本约为每磅 5,000 美元，并且至少需要六个月的时间。最好尽可能利用新家园的自然资源，这种方法称为就地资源利用。“这完全改变了任务的后勤工作，”欧洲航天局开发 3D 打印等工艺的材料工程师 Advenit Makaya 说。“你不必把所有东西都带在身边。”

火星上的人类可能会利用太阳能、从地下冰层中开采水源以及从大气中获取氧气。在美国宇航局的鼓励下，建筑师、工程师和科学家正在探索早期居民如何利用回收的废物以及火星上松散的岩石和尘埃（称为风化层）来制作工具、建造房屋、铺设发射台和道路等。

火星探测车和探测器已经揭示了足够多的火星地质信息，让我们可以开始弄清楚火星是如何运作的。火星表面含有丰富的铁、镁、铝和其他有用的金属，这些金属在我们这里都能找到。科学家还认为，火星地壳主要由火山玄武岩组成，就像夏威夷干涸的熔岩场一样。

在地球上，研究人员经常使用粉碎的玄武岩来模拟火星风化层。他们可以加热和压缩沙质材料，这一过程称为烧结，以制造铺路砖。美国宇航局和航空航天局太平洋国际空间探索系统中心在 2015 年就做到了这一点，然后让一个名为 Helelani 的机器人探测车使用这些铺路砖建造了一个直径 66 英尺的发射台。加州大学圣地亚哥分校的 Yu Qiao 领导的团队表示，压实的风化层甚至可以在没有加热的情况下保持在一起。他们在 2017 年的研究中假设，使火星呈现铁锈色的氧化铁可以作为粘合剂。

不过，如果你要制作比积木更复杂的东西，风化层可能会很麻烦。它缺乏黏土易于操作的可塑性。欧洲航天局的 Makaya 团队和西北大学的研究人员独立工作，打印了工具和小物件，包括齿轮和积木。但他们的方法需要将风化层与溶剂和粘性粘合剂混合——所有这些都必须从地球携带或在火星上制造。

柏林工业大学材料科学家、博士生戴维·卡尔 (David Karl) 认为还有更简单的方法。他所在的研究实验室生产用于电子、生物医学植入物和其他应用的先进陶瓷。他的艺术背景使他经常说这样的话：“在显微镜下，水泥看起来太不可思议了。”几年前，他和他的学术顾问亚历山大·古尔洛 (Aleksander Gurlo)（也是实验室负责人）思考了宇航员如何利用风化层，而无需添加任何从太空运输的东西。他们突然想到，每个试图解决这个谜题的人都忽略了一个古老的解决方案：将材料与水混合，世界各地的人类至少 30,000 年来一直这样做来制作陶器陶瓷。

他们开始采用一种相对简单的制陶方法，即注浆法。该方法要求将一种由粘土和水组成的稀薄混合物（称为注浆）倒入石膏模具中，使其凝固。然后倒出多余的材料，取出制品放入窑中烧制。Karl 和 Gurlo 没有使用粘土，而是尝试使用一种名为 JSC-Mars-1A 的模拟风化层（NASA 于 1998 年开发）和来自柏林皇家瓷器厂的圆形模具。Karl 说：“你不知道说服在这里与我共事的工程师们将一些愚蠢的花瓶作为大项目有多难。”

他们制作的光滑矮小的花瓶类似于陶土，装满鲜花也不会显得格格不入。卡尔设想在另一个世界的水培花园中，绿色植物会从这样的容器中长出来。他还认为，改进这一工艺可以让宇航员借助 3D 打印机将火星上的泥浆注模成更复杂的形状。

卡尔的花瓶让人们一窥火星居民如何制作日常用品，但 NASA 希望建筑师和工程师考虑这些先驱者可能居住在哪里。四年前，该机构邀请他们参加 3D 打印栖息地挑战赛。

参赛者经历了三个不断升级的竞争阶段。第一个阶段于 2015 年完成，要求参赛团队绘制其居住地的建筑效果图。两年后，参赛者必须开发 3D 打印住宅所需的工具，并创建建造住宅所需的横梁、圆顶和其他结构元素。随着比赛的进行，参赛团队不断涌现，直到今年只有两支队伍进入了决赛，也是最艰难的赛事。

规则长达 76 页，要求每个小组在 30 小时内打印一个四人居住地的三分之一比例模型，该模型至少有三个开口。评委对使用模拟风化层等材料的人给予加分，而由于比赛强调自动化建造，因此对干预（例如，摆弄打印机软件或清理堵塞的喷嘴）的人会扣分。

美国宇航局喜欢机器人施工队的想法，因为居住区可以在人类到达之前准备好。建筑师沙迪·纳扎里安通过研究 3D 打印机如何在地球上建造更具弹性的房屋，找到了火星住宅设计的方法。她领导着宾夕法尼亚州立大学的一个实验室，该实验室探索在玻璃和混凝土等不同材料之间创造无缝过渡，这种技术可以消除需要填缝或环氧树脂的接缝。这种技巧在红色星球上很有用，因为火星上的建筑必须足够坚固，以承受强烈的压力，并保护居民免受严寒和太阳辐射的伤害。因此，她和她的同事——建筑师何塞·杜阿尔特和电气工程师斯文·比伦——两年前参加了美国宇航局的比赛。他们坚固的圆锥形居住区看起来像塔图因上的房屋或意大利乡村百年历史的石制圆顶小屋。

蒙特斯是宾夕法尼亚州立大学竞争对手 AI SpaceFactory 的首席太空建筑师，他在 2017 年加入该公司后鼓励该公司加入。大卫·马洛特的履历包括三座世界最高建筑，他创立这家纽约公司的部分原因是为了应对他认为的建筑行业存在的浪费。太空设计强调当地材料和可持续性，并需要预测宇航员的心理需求。马洛特想展示这些原则如何在地球上发挥作用。

您可以在 Marsha 身上看到这些担忧。Montes 偏爱塔楼，因为它可以最大限度地利用可用空间。这种形状也很容易分成几层，而且向上建造而不是向外建造更适合 3D 打印。他认为天窗、弧形墙壁和瑞士奶酪般的内部外壳将为遥远世界的日常生活增添多样性和独特性。

要制作 Marsha 外壳的模型，首先需要花费数月时间开发 3D 打印机及其喷出的黏糊物。Montes 的团队制造了一台巨大的机器，它配备了一个现成的喷嘴（称为挤出机），并配备了夹持器和各种传感器。他们将所有这些硬件安装到机械臂上，类似于汽车装配线上焊接车身或喷漆的机械臂。该装置按照计算机的指令一层一层地喷出的“墨水”是由细菌生长的可回收塑料和理论上可以从火星岩石中收集的细玄武岩纤维的混合物。“仅仅是让材料渗出就已经是快乐的一天了，”马洛特说。

2019 年 5 月比赛的第一天，栖息地建设开局并不顺利。参赛团队在重型设备制造商卡特彼勒 (Caterpillar) 拥有的一个巨大的展厅里工作，卡特彼勒通常利用这个空间来展示推土机和其他大型机器。场地短暂断电，导致参赛团队的打印机程序出现故障，而不稳定的挤压需要偶尔进行故障排除。评委们谨慎地警告 NASA 的 Monsi Roman，他负责监督决赛前的每个阶​​段，要做好失望的准备。但在一天之内，两个团队都找到了动力，打印机令人着迷的嗡嗡声吸引了公司员工和实地考察的学生前来观看建筑物断断续续地升起。

宾州州立大学的团队使用了装有挤出机的工业机械臂，但放弃了使用 MarsCrete 建造的计划，因为这种专为火星寒冷环境设计的材料在室温下凝固得太快。该团队改用传统水泥制成的混凝土，但如果机器停止或暂停时间过长，混合物会堵塞设备。“用混凝土打印非常非常困难，”行星地质学家珍妮弗·埃德蒙森 (Jennifer Edmunson) 说道，她也是评委之一。尽管如此，该团队还是提前 11 分钟完成了最高的建筑。当机器封住一个栖息地时，人群中爆发出欢呼声，一些人称其为 Dairy Queen，因为它的双峰高 13 英尺，形似巨大的软冰淇淋漩涡。

Marsha 的纹理看起来像一件旧毛衣，每个凸起、接缝和松散的线头都表明分层过程中出现停顿或偏差。蒙特斯尽力让机器人运行得更慢，以尽量减少变形，但随着时间的推移，这种奢侈已经不复存在。在只剩下几秒钟的时间，最上面的部分下垂时，蒙特斯下令打开天窗。墙壁支撑了一会儿，然后边缘向内下垂，窗户砰的一声掉到了地上。蒙特斯走下梯子，观众犹豫不决地鼓掌。“如果你想要戏剧，那就来点戏剧吧，”他对 NASA 摄制组说。

一些人怀疑，这次翻滚是否注定了 AI SpaceFactory 的获胜机会，尽管该团队在多个类别中都获得了高分，并且干预自动打印的次数比宾夕法尼亚州立大学的团队要少。让栖息地固化一夜后，评委们花了几个小时无情地敲打它们，以确保它们密封，检查它们的抗冲击性，并评估它们的强度。在模拟陨石撞击中，Dairy Queen 表现出了非凡的坚固性，经受住了越来越重的陨石的猛烈撞击，直到最后一个 26 磅重的陨石将屋顶的一小部分撞破。更令人印象深刻的是，该结构抵御了 96 吨挖掘机的垂直冲击——至少持续了几分钟，然后随着投球手投出全中球的撞击声而倒塌。

严格来说，Marsha 并不完整，因为它没有屋顶。它显然不是密封的：当比赛官员向其中投掷测试火炬时，栖息地喷出大量彩色烟雾。评委们也认为没有必要在上面投掷假陨石。然而，该模型只向挖掘机提供了几块小碎片，挖掘机将铲斗放在 Marsha 的边缘上，用足够的力量向下推，将隆隆作响的机器履带的前部抬离地面。

经过几个小时的审阅笔记和计分后，评委们将 AI SpaceFactory 评为获胜者。蒙特斯和队友们手捧 50 万美元的巨额支票，脸上挂着笑容，她看起来和 NASA 的罗曼一样高兴，后者认为建造这座建筑非常成功。尽管这些栖息地留下了伤痕，但它们或许提供了迄今为止最切实的证据，让我们看到了另一个星球上的家园是什么样子。“它们并不完美，”她说，“但它们很美。”

这个故事最初发表在《大众科学》杂志的“Out There”专栏中。