发布日期 2024-01-26 | B站
正文
2024年1月26日星期五，欢迎收看第八期高见。十几年前，土建工程是中国最火的行业，也是毕业生起薪最高的专业，一直到2014年，中国大学毕业生收入排行榜，同济大学还排在第八，几乎就是靠同济土木工程学院一家拉起来的。现在的土建从业者，在工程单位的说没业务，在大学的说招生困难，有的人去开拓国外市场，接到东南亚甚至是非洲的项目，提桶跑路已经成了土建行业的代称。在一片哀鸿的行业背景下，有一位土木工程师探索出了一条非同寻常的道路——到月球上搞土建。李峰1998年就读于同济土木学院，2000年分配专业方向时选择了道路工程，后来侧重于路基路面。到此为止，他的人生路线和同学马督工完全一致。不过之后，马督工去了设计院，又当了个媒体人，而李峰一路读到了博士，始终坚持搞科研，现在已经是北航的博导、教授了。最近有新闻报道，说他接了一个月球土壤的研究项目。
简单搜索一下，我看到他的研究成果在2022年还曾刊登在中国工程院院刊Engineering上。今天我有幸请他到演播室做客，和大家分享一下月球上的土建工程。
从地球工程到月球工程
咱们土建从业者做什么方向的都有，但是在地球之外接项目的，您是我接触到的第一个。您是怎么转到月球工程的？
我是2016年开始做月球道路方面的研究的。那个时候探月还不像现在那么热，但是我看到NASA和ESA都在研究月面建造，在月球上修路盖房子。当时中国的嫦娥三号也已经在月球落地了，所以我感觉月面建造也是一个很有前景的研究方向，而自己的土木工程背景也可以和兴趣爱好结合起来，所以开始研究月球修路。
过去我们在地球上做工程，首先要满足业主的要求。您的第一个月球项目怎么确定需求？
各大国都在考虑月球科研站。美国提出的阿尔忒弥斯计划、中国的探月工程四期，计划在月面建造支持科考实验、支援的月球科研站。月球表面有一个地质特征，就是有很厚的月壤，特别松软，低重力下也很难走，所以简易的公路不能搞土路面，还是要有坚固的铺面。我现在的第一个目标是造出第一块月壤砖，铺出第一条月面的道路。当然月球是不会有多少普通居民的，所以我们不需要给月球设置非常高档的技术设施，月球修路的基本要求应该是类似于地球上的工业区道路，保证基本的运输需求，而不需要特别考虑舒适和美观。
除了满足需求，地球搞工程还需要考虑预算和环境的约束。您做的第一块造砖有没有明确的约束条件？
在月球上修第一条路、造第一块砖，有三方面的限制，包括资源限制、环境恶劣、能力缺乏。首先说资源和能源的问题。从建造原材料的角度来说，月球上没有水泥、沥青混凝土，地月之间的运输成本也非常高，运输9个鸡蛋重量的物品到月球上需要7万人民币，大宗的建筑材料不可能从地球上带到月球。这也是我研究月壤原位成型方案的原因，就是在月球上就地取材，想办法利用月壤自备建筑材料。能源获取方面，月球表面存在长时间的月夜，期间没有太阳能，工程项目需要设计有效的能源系统，可能涉及到储能技术或其他气态能源，确保在整个月夜期间能够维持工程活动。还有水资源，水是生命和工程活动必不可少的，如果能够在月球上找到水冰或其他形式的水资源，可以用于制作混凝土或支持生命活动，这将是一个关键的解决方案。然后是月面的极端环境问题。
在月球上修路盖房子，需要考虑到月球表面的极端环境，比如说极端的高低温、真空、低重力、空间辐射、陨石冲击，需要选择和开发适用于这些条件的新的建造技术和材料。最后是缺能力。月面建造是一个典型的劳动力不匹配的场景，在地球上搞工程可以用人海战术，在月球上不行。要解决这个问题，我认为需要考虑施工的自动化，比如说3D打印，这就需要相应的装备支持。
历史感与第一块砖
只要这块砖铺下去，您就是历史上第一个在月球修路的设计师了。给我们这些地球人分享一下做月球项目的感受。在月球上修路是一个系统工程，需要空间环境、航天、通信、能源、生命科学等各个专业领域的配合。我主要是研究月壤的原位利用，算是把路基路面的本行做到了月球。作为一名道路工程师，考虑在月球上修路，和地球项目相比，主要是工作的时候多了一份历史感。土木工程师，是最有历史感的行业，英文名称是Civil Engineering，也就是可以翻译成文明工程。因为建筑材料可以长时间保存，适合后世考古发现，作为文明水平的证据。我们确定某个地方有人类文明，标准之一就是找到永久性的建筑。我很期待在月球上出现Civil Engineering，作为地外文明的体现。我们用模拟月壤3D打印的一块砖，在这方面开展了一些初步的研究。
并且很荣幸，我们的团队在2023年7月份申请到了嫦娥五号月球样品，现在我们正在用嫦娥五号月球样品进行研究，希望未来有一天能够实现在月球上修路的梦想。
嫦娥五号月壤样品
您现在拿到了这块月壤样本，和您预期的月面物质一样吗？
和美国之前登月的研究成果相比差不多。嫦娥五号月壤采样地是月球风暴洋东北角吕姆克山脉，这是月表最年轻的月海玄武岩。我们申请到的月球样品有两种，一种是光片样，一种是粉末样。光片样包含了两个角砾岩颗粒和一个玄武岩颗粒，是封装到树脂中并打磨出镜面的，露出的镜面尺寸大概是1到2毫米。通过这个镜面，我们就可以观察到月壤颗粒的成分信息，的确是典型的月海玄武岩。玄武岩这个名字来自地球，密度大于花岗岩，是地幔深层物质形成的，在大陆上经常可以表现为火山喷出的岩石，所以我们可以用地面上的火山物质模拟月壤物质，作为道路材料的样品。
造砖的三种技术路线
要把这种材料做成一块砖，您设想过哪些方案？
目前主要有三种技术路线：烧结法、连接法和地聚物法。这几种技术路线都有人在尝试，也各有利弊。烧结法就是用高温把月壤加热至熔点以上，烧结、微波加热、放电等离子烧结等，至少需要1000度以上的高温，再冷却成为具有一定形状和强度的试件。烧结法的好处是就地取材，不需要额外的添加剂。坏处是需要很高的能量，而且月壤中成分不均一，不同的成分可能在熔化和冷却过程当中相分离，影响成型材料的均质性。不同成分的颗粒可能具有不同的热膨胀系数、熔点和其他热物理性质，这可能会导致在熔化和冷却过程中发生不同的热变形，最终会影响材料的力学性能和热性能。连接法就是利用地球上生产的连接剂，直接把月球粉末粘起来。这种方法操作比较简单，而且对设备要求不高。但缺点就是连接剂需要完全从地球运输，运输成本很高。我们目前采用了一个折中的方法，利用月壤制备地聚物，简单来说，就是一种新型的水泥材料。
月壤中富含硅和铝，和地球上带来的碱激发剂相互作用，可以变成胶凝材料，当作水泥来用。这种方案的好处是技术成熟，地球上已经演练过了，而且月壤是就地取材，只需要带碱激发剂。缺点是这个反应需要有水参与，但是月球上缺水。我们目前也在研究如何循环利用水，尽量减少从地球上携带原料的重量。
月球工程的基本条件
在地球上造一块砖，首先要考虑到哪里取土。您在月球搞工程，会不会要求中国飞船落到适合烧砖的位置？
现在看来不太需要选地方。月球没有地球这种地质活动，表面各个地方的物质区别不太大，不会从根本上影响造砖的技术流程。接下来的登月计划，我们也不一定需要飞船带回很多标本。如果有足够的燃料，我希望可以更多地带点设备到月面上，多验证几种造砖的技术。
土木工程首要问题是对抗重力。月球表面重力加速度只有地球的六分之一，从您现在的研究看，月球项目在性质上是接近一个零重力的太空结构，还是应该参照地球环境来做结构？
月球的重力相比地球很少，但是也不可忽视。因为表面太松软了，承载力不够，就算重力小，车轮也容易陷进去。如果路面太薄，下面不做路基，路面也会很快破坏掉。我还是倾向于把月面作为重力环境，和太空站的失重环境是不能比拟的。
作为土建行业的前工程师，我想问点和咱们专业相关的问题。在月球上搞工程，除了前面说的重力问题，还有哪些基本条件和地球不一样？
首先是极端高低温问题。月球没有大气层，被太阳晒的时候升温很快，天黑降温很快。太阳直晒的地方温度可高达127度，而在阴影处会急速下降到零下173度。这种极端的温差循环，对建筑材料的影响很大。第二个是微陨石问题。地月轨道附近游荡了大量的小石块，偏偏有大量的陨石砸到月球表面，能量就相当于一发重型的炮弹。这些陨石如果进入地球，会变成大气层的流星，所以地球建筑只需要承受冰雹就够了，顶部用玻璃也没关系。而月球表面建筑必须保证普通的微陨石打不穿，路面也要考虑微陨石的破坏，随时可以修复。
第三个是真空问题。如果是能住人的房子，室内是需要维持一定的气压的。但是室外月球的环境是真空的，室内的空气压力把墙往外推，每平方米墙体向外的推力相当于地球上十吨物质的重量，这就必须想办法抵抗这份推力。内部有气压，就要考虑材料的气密性，不能让空气漏出去。相比于金属、有机合成材料，混凝土的孔隙率要高得多，地球上目前也只能用孔隙率较低的抗渗混凝土做水坝。在月球上生产的建筑材料，现在能不能做到不漏空气？
目前人类知道的建筑材料很难隔绝空气，所以月球的土木工程恐怕是不能直接住人的，只需要挡住微陨石、挡住辐射，提供一个温度稳定的安全空间就好。空间里需要有保存氧气和水，还需要有一层气球一样的内衬，再用金属骨架搭起来。为了保证万无一失，房子里面还需要有像船舱一样的隔舱，就算有个舱漏掉，也不影响其他舱的安全。
月球上的专业分工
地球上的土建工程分很多方向，比如建筑、土木、市政、环境工程等二级分类，还有设计、材料、道桥、隧道。在月球上搞工程，还会不会有具体方向上的分别？
肯定会。道路的受力模式和地球上还算相似，其他的结构都有自己的特点。房屋建筑刚才已经说过了。地下结构恐怕会比地球上更重要，因为从保温、防陨石、防辐射的角度来看，地下空间是最安全的。而且月球上很可能还残留了很多古代火山的熔岩管道，这是天然的地下空间，只要封闭出入口就可以做月球基地。这些工程不仅和地球上有区别，彼此之间也有独立性，每个专业都应该考虑自己在地球之外的用途。
受拉与受压
自古以来，地球上的建筑结构材料就是二元化的：一种主要材料受拉，另一种主要材料受压。比如土木工程的土木两个字，土就代表承受压力，木代表承受拉力。到了现代社会，水泥负责受压，钢材负责受拉。月球项目还会延续这个传统吗？
我前面提到过，有三种技术路线造砖，这三种技术路线造出来的砖主要是承受压力的。我们还没有搞清楚怎样在月球上冶炼金属、制造钢筋，所以早期的月球建筑，无论是桥还是房子，都应该是只包含压力的拱形结构，我们会看到月球上的赵州桥、月球上的罗马万神殿。但是月球建筑也有承受拉力的气球，比如说里面充气的建筑，有向外膨胀的气压，这就需要一个拉力结构把它围住。这就像水塔里面需要多配钢筋来承受拉力，如果不配钢筋，很快就会被内部的水压胀破。现在推测，在月球上替代钢筋的材料，有可能是地球上最近开始普及的玄武岩纤维。玄武岩纤维的制作方法很简单，就是岩石高温熔化，从细小的喷口喷出去，自然冷却，就做成了可以承受拉力的纤维结构，类似于前些年应用的玻璃纤维。月面有很多玄武岩，如果找到适合的生产工艺，玄武岩纤维可以成为月球上的钢筋。
月壤颗粒与造砖
地球上各种沙子区别很大，一般用河沙最好，沙漠里的沙子被风来回吹，颗粒太细，不适合拌混凝土。月球上的情况正好反过来，这些月面沙土从来没有被风吹过，会不会颗粒太复杂、表面太尖锐了，影响我们用它做建筑材料？
我们加工月球土壤并不是用来做类似水泥混凝土的细骨料，而是作为建筑材料的主材。前面我提到过月球土壤成型的三种路线。第一种是烧结法，确实需要颗粒细小且经过精选的月球物质，保证烧结成型的材料缺陷少。第二种是连接法，成型强度主要是依靠地球上带来的连接剂，月壤颗粒的大小对于强度有一定的影响，但是不是主要因素。第三种是地聚物法，是利用月壤作为胶凝材料，需要月壤参与化学反应，通常情况下是粒径越小，反应越充分，成型强度越高。
科普与寄语
您转到月球项目后，有没有出过什么书？
科研方面的内容，可能还需要做出实际工程再推荐。科普方面，我有一本看起来有点幼稚的书——《在月球上盖房子》，这是给小孩子看的。我现在研究的这些技术，在我们这代来看是很科幻，但是希望对下一代来说是一些同样的常识。
过去我们研究的都是地球上的土建工程，现在您开始研究月球上的土木工程，感受上有什么区别吗？
上次选地球上的土木工程，这是因为当年这是一个非常热门的专业，就业好，收入高。现在做月球项目，首先还是自己觉得这个方向有价值，同时也很感兴趣，可以将工作和兴趣结合在一起，这也是一件很幸福的事情。
最近几年，土建工程行业进入下坡阶段，您有幸接到了月球项目，能不能鼓励一下在地球上学相关专业的学生？
不仅仅是土木工程，传统的工科都面临着转型升级的压力，这就需要我们不断地学习新的知识，拥抱变化。在选择专业找工作的时候，要结合自己的兴趣爱好。我做月球道路的研究过程当中找到了自己的兴趣，把工作和兴趣结合在了一起。
走向太空的第一步
最后一个问题。刚才您说月球并不是一个适合人类居住的地方，只是因为距离地球近，所以要建设一些过渡项目。将来人类还要到更多的星球上搞建设，那您觉得在月球上搞工程积累的经验，应该算是地球的延伸，还是走向太空的第一步？
肯定算是走向太空的第一步。以人类现代的工业水平来说，月球的资源不算丰富，但是月球的引力加速度比较小，只有地球的六分之一。在月球表面找一座山，发射速度每秒1700米的炮弹，就能让炮弹一直飞，变成月球的卫星，所以从月球表面起飞比较方便。同时月球又不是完全没有引力，表面的设备都被重力压缩在表面，不用担心两辆车撞一下，就会有一辆车飞进宇宙回不来。所以飞行器可以喷气减速，在月球表面降落也比较方便。进出都方便的地方，在地球上比较适合做物流中心，将来的月球定位也应该是太空的中转站和科研的观察点，类似于现在的南极或者洋山港。这是我们迈向宇宙开发的第一步。土建工程是人类最古老的工程专业，几千年来有起有落很正常，没有哪个专业能保证自己长盛不衰。
但只要人类还需要一个固定的结构容纳自己的肉体，只要人类还需要开发星球上的空间，土建工程行业就会一直存在，比秦始皇和许家印的事业都更持久。马督工之前也做过好几期节目介绍土建工程，在土建行业整体衰落的大背景下，还是有很多从业者找到了发挥自己才能的地方。他们或者是把计算机引入了土建行业内部，或者是把工程做到了其他星球，共同点是不会被原有的专业背景限制。从这些例子来看，土建工程的未来仍然有无限可能。只要你不是指望靠二十多岁的一张文凭吃一辈子，22世纪的人类也会需要你的能力。第八期高见到此结束，感谢各位收看。感谢李峰老师做客演播室，我们下期再见。
附录
信息来源
- 嘉宾李峰：北京航空航天大学交通科学与工程学院教授、博士生导师，嫦娥五号月球科研样品使用责任人，研究领域为行星交通基础设施，自2016年起开展深空交通基础设施（月球道路）方向研究。北航教师主页：error
- 李峰团队获批嫦娥五号月球科研样品（第六批）：光片样1份含1个玄武岩颗粒和2个角砾岩颗粒，另有粉末样，样品使用责任人为李峰：北航获批月壤样品，致力前瞻性研究
- 嫦娥五号采样点位于月球风暴洋东北部吕姆克山地区，返回样品为目前研究的月表最年轻月海玄武岩，与文中表述一致。
- 本期B站发布时间为2024年1月26日（星期五），与开场日期一致：哔哩哔哩
已核对
- 未检索到 2014 年榜单原文；但 iPIN 口径的中国大学毕业生薪酬排行榜中，同济大学确曾位列全国第 8（毕业五年平均月薪 10180 元，新浪教育/东南大学新闻网 2016 年转载），口播说法方向属实、年份无法精确对应，正文不改。（来源 news.seu.edu.cn）
- 物理上成立：月球表面逃逸速度 2.38 km/s，表面圆轨道速度=2.38/√2≈1.68 km/s≈1700 米/秒；从山顶切向发射即可进入不落回月面的轨道（牛顿炮弹思想实验）。口播数据无误，不改。（来源 维基百科）
待核对
- "运输9个鸡蛋重量的物品到月球上需要7万人民币"：口述数据，未检索到出处，请复核。
- "月球是不会有多少普通居民的"："居民"一词请对照音频复核。
- "计划在月面建造支持科考实验、支援的月球科研站"：句末表述请对照音频复核。
- "连接法""连接剂"：术语名称请对照音频复核（或为"黏结"类表述）。
- "道路的受力模式""承受拉力的气球""像船舱一样的隔舱""作为地外文明的体现""一些同样的常识""经过精选的月球物质""下面不做路基"等处个别用词请对照音频复核。
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