《Journal of Cleaner Production》：Sulfur–regolith composite material for radiation shielding on Mars: A sustainable ISRU approach
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火星硫质土复合材料在模拟高温（25°C）和严寒（-65°C）下的辐射屏蔽性能研究，通过实验和理论计算发现低温因材料微观结构变化导致屏蔽性能轻微下降，并提出优化策略。
穆罕默德·纳兹里夫·扎马尼（Muhammad Nazrif Zamani）|诺尔哈齐兰·穆德·努尔（Norhazilan Md Noor）|萨雷哈蒂·乌马尔（Sarehati Umar）|穆罕默德·沙兹万·艾哈迈德·沙阿（Mohamad Shazwan Ahmad Shah）|穆罕默德·赛阿希尔·萨尔卡维（Muhammad Syahir Sarkawi）|阿斯亚拉夫·阿里夫·阿布·巴卡尔（Asyraf Arif Abu Bakar）|努尔·哈菲扎·A·哈利德（Nur Hafizah A. Khalid）|哈尼斯·哈齐拉·阿里芬（Hanis Hazirah Arifin）
马来西亚技术大学土木工程学院，柔佛州，81310，马来西亚
摘要
火星的环境条件极其恶劣，平均温度低至-65°C，同时持续受到太阳粒子事件和银河宇宙辐射的影响，这些辐射会产生次级伽马射线和中子。鉴于火星上硫元素的丰富储量，硫-风化层复合材料成为火星可持续建筑的有希望的材料。然而，其在火星环境条件下的辐射屏蔽性能尚不清楚。本研究评估了硫-风化层复合材料作为可持续屏蔽材料的可行性，测试了其在模拟的炎热和极寒火星温度下的表现。该复合材料通过1.28 mCi的铯（Cs137）伽马源在0.662 MeV的能量下进行辐照，其辐射屏蔽性能使用比尔-朗伯定律（Beer–Lambert’s Law）进行计算。通过WinXCom和Phy-X/PSD等在线工具，在更广泛的光子能量范围内对理论计算进行了验证，并通过实验结果进行了确认。由于温度引起的微观结构变化，该复合材料的辐射屏蔽性能在极寒火星温度下略有下降，但推测这种下降在其他光子能量下也会存在。本文还提出了提高火星辐射屏蔽效果的策略。这些初步发现凸显了硫-风化层复合材料作为可持续、就地利用的屏蔽材料的潜力，有望减少火星基础设施对地球来源的材料、水和能源的依赖。
引言
美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）和SpaceX等机构最近的空间探索努力越来越关注长期的人类火星探索及最终在火星上建立文明（García等人，2016；Meurisse和Carpenter，2020；Neukart，2024）。然而，火星恶劣的环境条件对人类生存构成了重大挑战。火星大气主要由二氧化碳（CO2）组成，温度波动范围从平均25°C的炎热时期到-65°C的极寒时期（Buchner等人，2018；Naser，2019a；Smith，2004；Zamani等人，2024b）。火星的重力和大气压力也远低于地球，分别为3.71 m/s2和0.64 kPa（Naser，2019a）。此外，火星还受到显著的辐射影响，包括偶尔发生的太阳粒子事件（SPEs）和持续的银河宇宙辐射（GCR）（R?stel等人，2020）。GCR来源于太阳系外的超新星爆炸（Chancellor等人，2014；Hassler等人，2014；Simpson，1983），而SPEs则是太阳爆发事件（如耀斑和日冕物质抛射）的结果（Hassler等人，2014；J. Zhang等人，2022）。当这些初级辐射与火星表面或潜在基础设施相互作用时，会产生次级阿尔法粒子、贝塔粒子、伽马射线和中子（Chancellor等人，2014；Iranfar等人，2023；Toto等人，2024）。
此外，由于行星间的巨大距离，依赖地球来源的材料资源在经济上不可行（Alexander，2001；Koca和Turer，2024；Maity和Saxena，2024）。相反，火星拥有多种可以利用的就地资源，尤其是地下存在的水冰沉积物，对人类生存至关重要（Barnes等人，2020；Fackrell等人，2021；Liu等人，2022；Nazari-Sharabian等人，2020；Y. Wang等人，2022）。因此，NASA的战略愿景强调利用就地资源（ISRU）进行火星建设，以实现成功的载人任务（Davis等人，2017；García等人，2016；Johnson-Freese，2017；Ordonez等人，2017；Zamani等人，2024a）。ISRU涉及利用化学和物理过程将火星上的资源转化为人类登陆所需的可使用材料，包括日常运营所需的基础设施、人工氧气和人类居住场所（Hadler等人，2020；Starr和Muscatello，2020）。火星恶劣的环境条件要求基于ISRU的建造材料必须坚固耐用，能够抵御压力差和极端温度波动（Soureshjani等人，2023a，2023b，2025；Soureshjani和Massumi，2022）。考虑到巨大的行星间距离导致的运输成本高昂以及火星上丰富的就地资源，基于ISRU的建造材料必须符合基本原则，即减少对地球供应链的依赖、降低能耗和使用易于获取的原材料。由于火星恶劣环境对水的影响，水的热力学不稳定性也影响了水的消耗量（Reches，2019）。
根据多项研究，硫-风化层复合材料尤为突出（Naser和Chehab，2018；Soureshjani等人，2025；Wang和Snoeck，2024；Wu等人，2024）。这种材料可以从火星上丰富的硫沉积物中获取（Barkatt和Okutsu，2022；Hu等人，2022；Naser，2019a，2019b；Naser和Chehab，2018）。在火星上，硫主要以硫酸铁和亚硫酸盐的形式存在，需要提取并经过化学处理转化为元素硫以用于建筑（Barkatt和Okutsu，2022；Reches，2019）。最近在火星表面发现纯硫晶体进一步增强了硫-风化层复合材料在火星建筑中的潜力（NASA，2024）。这种材料还具有其他优势，如无需水、固化速度快、能耗低（铸造时熔化温度不超过150°C）、无需长时间固化、能够快速增强强度、无需运输以及可回收（Fediuk等人，2020）。这些优势与上述可持续ISRU原则高度契合，有助于减少对地球资源的依赖。在人类登陆火星之前，可以实施自主机器人系统来处理硫、生产硫-风化层复合材料并进行建造。
先前的研究探讨了硫-风化层复合材料的各个方面，包括机械性能与硫成分的关系（Wan等人，2016）、添加剂的影响（Li等人，2021）、模拟零温度下的影响（Snehal等人，2024）、在模拟CO2环境下的铸造（Tute和Goulas，2024）、改性硫的使用（Giwa等人，2024a）、极寒温度（-65°C）的影响（Zamani等人，2024b）、风化层颗粒大小（Okutsu等人，2024）、添加拉伸增强剂（Soltani等人，2024）以及其他多种因素（Akono等人，2023；Amanova等人，2024；Brinegar等人，2019；Giwa等人，2023，2024b；Gruber等人，2025；Shahsavari等人，2022；Sun等人，2025）。总体而言，尽管冷却过程中硫相转变不可避免，导致强度有所变化，但硫-风化层复合材料的机械性能仍适合火星建筑（Anyszka等人，2016；Fediuk等人，2020；Mohamed和El-Gamal，2010；Mohamed和Khodair，2021）。然而，大多数研究仅限于模拟的25°C火星高温，这与地球上的室温相同，并且是在地球大气条件下进行铸造和测试的。在此基础上，其他相关研究发现，在模拟的火星恶劣环境中，CO2的存在阻碍了铸造过程中二氧化硫（SO2的形成，从而优化了相变并提高了强度（Tute和Goulas，2024）。此外，模拟的0°C温度由于内部孔隙的封闭作用进一步提高了整体强度（Snehal等人，2024）。通过研究在平均-65°C的极寒火星温度下的性能和行为，发现不规则的颗粒分布和较大的孔隙会降低复合材料的整体强度并增加其体积不稳定性（Zamani等人，2024b）。总之，尽管考虑了火星特有的温度条件，复合材料的机械性能已经得到了很好的表征。然而，其辐射屏蔽性能尚未得到充分研究。尽管极寒的火星温度对复合材料的行为和机械性能产生了不利影响（Zamani等人，2024b），但关于其如何影响辐射屏蔽性能仍存在关键知识空白。鉴于严重的辐射危害，确保火星人类定居点的长期结构安全至关重要。因此，本研究调查了硫-风化层复合材料在模拟的25°C和-65°C火星高温下的辐射屏蔽性能。
部分摘录
概述
图1展示了本研究的整体流程。先前的研究表明，最佳硫含量分别为50%（Okutsu等人，2024；Soltani等人，2024）和60%（Tute和Goulas，2024），这是基于它们的机械性能。作者在之前的研究中分别在25°C和模拟的-65°C火星表面温度下对这些硫含量进行了测试（Zamani等人，2024b）。研究发现，50%的硫含量...
密度、纵向脉冲速度和元素组成
50/50硫-风化层复合材料的密度在模拟的炎热和极寒火星温度下介于2.00至2.16 g/cm3之间，平均密度为2.08 g/cm3。这些结果与Okutsu等人的研究一致（2024）。密度的变化归因于材料内部结构的不均匀性，这是由于硫收缩引起的早期应力所致（Dugarte等人，2018；Fediuk等人，2020；Mohamed等人...
结论
本研究通过实验和理论方法评估了硫-风化层复合材料在模拟的炎热和极寒火星温度下的辐射屏蔽性能。鉴于全球性辐射的挑战以及火星表面硫元素的普遍存在，这些知识空白至关重要。尽管该复合材料的LAC（Linear Absorption Coefficient）较低，但其辐射屏蔽性能与大多数地球屏蔽材料相当...
CRediT作者贡献声明
穆罕默德·纳兹里夫·扎马尼（Muhammad Nazrif Zamani）：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、调查、数据分析、概念化。诺尔哈齐兰·穆德·努尔（Norhazilan Md Noor）：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。萨雷哈蒂·乌马尔（Sarehati Umar）：监督、资源协调。穆罕默德·沙兹万·艾哈迈德·沙阿（Mohamad Shazwan Ahmad Shah）：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、资金获取。穆罕默德·赛阿希尔·萨尔卡维（Muhammad Syahir Sarkawi）：资源协调。阿斯亚拉夫·阿里夫·阿布·巴卡尔（Asyraf Arif Abu Bakar）：撰写——审稿...
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了马来西亚技术大学（Universiti Teknologi Malaysia）的支持，具体通过UTM高影响力研究项目（项目编号Q.J130000.2451.08G82）和UTM基础研究项目（项目编号Q.J130000.3822.23H88）的资助。作者感谢马来西亚核机构的人员提供的帮助和所需设备的使用权。此外，作者还要感谢Advanced Membrane Technology Research的研究员Najaa Fadhilah...
