《Acta Astronautica》：Biopolymers can be used for consolidation of lunar and Martian regoliths
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本研究利用生物聚合物作为粘合剂，结合压力辅助注塑法，成功制造出具有高抗压强度（约15MPa）和抗拉强度（约2MPa）的月壤与火星土复合砖。实验证明该材料在极端温度和压力下性能稳定，符合在轨资源利用（ISRU）理念，为外星基地建设提供创新解决方案。
Nitin Gupta|Aloke Kumar|Koushik Viswanathan
印度科学研究所机械工程系，班加罗尔，560012，卡纳塔克邦，印度
摘要
创建长期的外星栖息地以支持持续的人类居住需要能够承受负荷的结构，同时对这些结构来说，必须能够抵抗较大的温度波动。利用当地可获得的风化层是“原位”资源利用（ISRU）范式的一部分，该范式提倡通过利用当地资源进行建设，从而最大限度地减少对地球物资的依赖。在这项工作中，我们报告了一种使用生物聚合物粘合剂从月球和火星风化层模拟物中制造承重结构的方法。我们量化了最终类似砖块的结构（称为生物聚合物风化层复合材料）的抗压和抗拉强度，并研究了它们与生物聚合物浓度和化学性质的依赖性。我们开发了一种压力辅助压铸（PADC）工艺，可以从风化层模拟物中生产出抗压强度约为15 MPa的砖块，以及抗拉强度约为2 MPa的砖块。最后，我们报告了这些砖块在大的温度和压力变化下的性能，发现它们的强度保持不变。我们认为，这使得生物聚合物风化层复合材料砖块成为在严酷外星环境中使用的合适候选材料，同时符合ISRU范式的指导原则。
引言
创建长期外星栖息地以支持持续人类居住的一个关键挑战在于建造能够承受负荷的结构[1]，[2]，[3]，同时还要提供对辐射和较大温度波动的保护[4]，[5]。在月球和火星表面建造这些栖息地最丰富的材料是当地可获得的风化层。利用风化层是“原位”资源利用（ISRU）[6]，[7]，[8]，[9]范式的一部分。ISRU旨在最小化对地球物资的依赖，并提倡在适用的情况下使用当地资源（如太阳能、风化层和水）作为建筑成分[10]，[11]。为了模拟实际风化层的行为（尽管我们只有很少的物理样本），世界各地的几个研究小组已经开发了适合的风化层模拟物，以复制来自不同月球或火星地点的成分。一些例子包括约翰逊航天中心（JSC）的月球风化层模拟物[12]、ISRO Sittampundi正长岩复合体的月球土壤模拟物（LSS-ISAC）[13]、月球高地模拟物（LHS）、Exolith实验室的月球 mare尘埃模拟物（LMS）[14]，[15]、韩国月球模拟物（KLS）[16]和富士日本模拟物（FJS）[17]。
将风化层固化成基本建筑块——类似于地球上的砖块——需要使用合适的粘合工艺和/或试剂。已经探索了多种用于外星风化层的固化方法，包括热技术，如传统烧结[18]，[19]、微波烧结[20]和激光熔化[21]，这些方法通过在高温下使颗粒聚集来生产高强度砖块。此外，使用光固化月球风化层悬浮液的增材制造技术（如3D打印）为直接从风化层材料构建复杂几何形状提供了创新途径[22]。此外，生物方法如微生物诱导的方解石沉淀（MICP）利用产生脲酶的细菌结合有机添加剂（如瓜尔胶）将风化层颗粒生物固化成具有良好机械性能的致密形式[23]，[24]，[25]，[26]。新兴的无水或低水工艺，如基于硫的混凝土形成和干混蒸汽注入方法，在水资源有限的情况下也提供了有竞争力的风化层固化替代方案[27]，[28]。虽然这些方法取得了不同程度的成功，但它们也带来了显著的挑战。例如，烧结技术需要较高的热能输入，这限制了它们在资源受限的外星环境中的可行性。传统烧结[29]、微波烧结[30]和冷烧结[31]所需的特定能量（处理单位质量材料所需的总净能量输入）分别为1.7–2.3、15–20和1–3（MJ/kg）。MICP提供了生物固化方法，但涉及复杂的生物控制和环境敏感性。增材制造方法必须在可挤出性和机械强度之间取得平衡。尽管取得了这些进展，但在开发可扩展的、低能耗的、环境友好的方法方面仍存在差距，这些方法能够在月球和火星表面生产出机械强度高的固化物。
火星和月球风化层与地球土壤具有许多共同特征，这一点在当前文献中得到了广泛认可[32]，[33]。具体来说，月球风化层可以比作沙质土壤，因为它几乎不含固有的粘合矿物（例如粘土），并且保水能力较差。另一方面，火星风化层更接近粘土土壤，含有固有的粘合材料，如水合硅酸盐或石膏[15]，[34]。进一步类比地球土壤，现在已知一类重要的天然粘合材料，如粘土、竹子和相关的植物多糖[35]，[36]，[37]，可以用来将地球土壤固化成承重结构。像这些地球粘合剂一样，生物聚合物是许多提出的外星建筑ISRU系统中的一个可能候选者——包括热固性/热塑性树脂（例如环氧树脂、聚氨酯、聚酯、丙烯酸）、基于硫的粘合剂、无机水泥和地质聚合物——所有这些都需要评估其性能、质量和可生产性。目前大多数这类候选材料都需要在地球上合成和运输，因为没有从当地原料开始的实用原位工艺链，即使使用当地风化层也会使物流成本高昂。然而，生物聚合物脱颖而出，因为原则上可以从用于食物和氧气生产的受控生态生命支持系统中的生物质可持续生产。使用这些粘合剂，代替更传统的固化方法（如窑烧结），在简单性和能源效率方面具有显著优势，完全符合ISRU范式。因此，这些生物聚合物-风化层复合材料特别适用于在电力有限的机器人任务中的早期外星建筑，在这种情况下，烧结不切实际，而进口粘合剂会导致发射质量的巨大增加[38]。事实上，最近关于地球土壤的研究提出了使用生物聚合物（如瓜尔胶和黄原胶，仅占土壤重量的1-2%）作为粘合剂，可以产生高达8 MPa的抗压强度[39]，[40]，[41]。同样，对于外星风化层模拟物，使用牛血清白蛋白（BSA）[42]，[43]，[44]和人血清白蛋白（HSA）[26]等生物聚合物来创建生物聚合物土壤粘合复合材料（BSC）[45]，与纯热固化方法相比，可以大幅降低能源需求。对于空间栖息地的建设，与地球砖块相比，强度要求相当低。虽然地球砖块通常表现出20-25 MPa的抗压强度，但针对外星建筑的设计研究表明，对于月球条件，抗压强度约为3-4 MPa的材料就足够了；对于火星条件，抗压强度约为6-7 MPa的材料也可能足够，主要是由于重力较低和结构载荷要求较低[46]。
在本研究中，我们研究了使用少量生物聚合物固化风化层模拟物的潜力，从而得到了我们称之为生物聚合物风化层复合材料（BRCs）的固化物。我们建立了一种生产具有恒定强度的BRC砖块的工艺——通过引入一种称为压力辅助压铸（PADC）的新方法，在铸造过程中施加压力，以显著提高固化风化层砖块的机械性能并降低其孔隙率，这与传统的铸造或烧结方法不同。这解决了外星建筑中的关键挑战，包括低机械强度和高能耗问题。我们将PADC视为“原位”资源利用（ISRU）中的一个创新步骤，能够在月球和火星上生产出具有更好耐久性和防水性的承重结构。此外，我们强调了月球和火星风化层的独特条件，如尘埃凝聚力和极端环境，并展示了我们的方法是如何针对这些挑战进行定制的。与主要关注微生物或化学粘合剂之前的研究不同，我们的方法利用了压力的机械优势来形成紧密结合的复合材料，有可能将当地风化层转化为适合可持续空间栖息地的可靠建筑材料。除了工艺开发之外，我们还使用数字图像相关（DIC）技术量化了BRCs在单轴压缩过程中的变形和失效情况，通过跟踪裂纹的发展和详细演变。这使我们能够以高空间分辨率表征位移场、裂纹起始和传播，提供了超出传统抗压强度测量的更全面的机械响应理解。此外，我们还研究了不同温度条件对BRCs的影响，并评估了生物聚合物在这些条件下的降解情况。我们的目标是建立一种可扩展的方法，主要利用“原位”材料进行建筑，目标抗压强度为15-20 MPa，与地球上传统窑烧砖的强度相当。这一贡献通过提供一种新型的、可扩展的外星建筑材料制造途径，具有有前景的强度、耐久性和可持续性特性，从而推动了技术进步。
手稿的组织结构如下：第2节描述了所使用的材料、BRCs的相应固化工艺协议以及各种表征技术。第3节量化了BRC强度及其对各种工艺参数的依赖性。最后，我们在第4节中评估了在模拟的温度和压力变化下生产的砖块的可持续性，并对结果进行了一些总结性讨论。
部分摘录
风化层模拟物和生物聚合物
我们使用从美国Space Research Technologies (Exolith labs) [14]，[15]获得的风化层模拟物进行实验。固化研究是在四种不同类型的模拟物上进行的：2种月球风化层（月球高地模拟物——LHS-1和月球 mare尘埃模拟物——LMS-1）和2种火星风化层（火星全球模拟物——MGS-1和火星全球硫酸盐模拟物——MGS-1S）。这些模拟物的成分细节和平均粒径（
