新疆科研人员证实火星壤能够连续制备纤维材料

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郭先生

腾讯新闻的朋友大家好，我是中国科学院新疆理化技术研究所的研究人员。近日我们团队在《交叉科学》上发表了一篇探究利用火星壤制备纤维材料的研究，这项研究除了我们科研圈里关注外，也得到了社会各界众多科学爱好者的广泛关注，倍感高兴。

火星是一颗“网红”星球，也是太阳系内相对适合人类移居的地方。迄今为止，人类已经向火星发射了大量的卫星、着陆器和火星车，但尚未实现载人登陆。

近日，马斯克放言，4年后载人登陆火星，20年后在火星建设自给自足的城市。马斯克的这个“时间表”不要太当真，但大的发展方向应该是没问题的。

人类一旦大规模抵达火星，就需要在火星上有一个火星基地，满足居住和生活的需求。然而，用什么材料来打造火星基地呢？当然是就地取材了，总不能千里迢迢地从地球运输过去吧。

火星土壤，优质的建筑材料

近年来火星基地建设受到多个国家和科研组织的关注，包括咱们国家。想在火星建设基地，材料的获取非常关键，最好的办法是就地取材，也就是资源的“原位利用”。资源原位利用是利用火星本地资源来支持人类在火星上活动的技术，该技术可以极大地降低火星基地的建设成本，同时提高人类在火星生存的维持能力。

图：利用火星壤制备火星壤纤维（艺术图）。

火星表面覆盖着一层火星壤，是火星最丰富的资源。原位利用火星壤资源对于实现火星探测以及火星基地的建设具有重要意义。目前，科研人员已经开发出了很多火星壤原位利用技术，例如直接烧结火星壤、3D打印火星壤或是将火星壤配置成类似于水泥的地质聚合物。我们想到了另外一种妙招：做成纤维！

点石成锦：让火星土壤变纤维

科研人员前期开发的火星壤原位利用技术通常集中在单相结构（或者均相）的材料上，如之前提到的地质聚合物或是直接烧结。这些单一相材料在某些性能上十分优异，但是其无法做到十全十美，会在某个性能上存在缺陷。那么考虑到火星的极端环境，这些材料可能无法满足火星基地建设的综合需求。因此，亟需一种综合性能优异的材料。

理想的材料选择之一是复合材料，其是由基体和增强体组成的二元或多元混杂体系，组成材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使得复合材料综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料也是地球上最常见的建筑材料，例如早期的茅草屋（茅草与泥复合）以及现代的钢筋混凝土（钢筋与水泥复合）。

图：利用火星壤制备连续纤维并用于火星基地建设的构想图。

通常，增强体具有更好的力学性能，并在改善复合材料性能方面发挥作用（具体到建筑材料中如茅草和钢筋）。因此，要获得性能更好的复合材料，就必须有性能更好的增强体。

在地球上，我们通常将玄武岩矿石制成玄武岩纤维，从而将其作为增强体用于建筑材料当中。而火星壤与地球玄武岩矿物相似，因此我们以此类推，若是能将火星壤制成火星壤纤维，就可以获得性能优越的火星基地建设用增强材料。

没有火星土壤做实验怎么办？

我们知道，到目前为止，人类还没有带回火星土壤，美国和中国都计划在2030年前后才能实现火星采样返回。

图：NASA的火星采样返回步骤（艺术图）

由于目前没有真实火星壤样品，因此我们利用模拟火星壤研究其制备火星壤纤维的可行性。我们主要以模拟火星壤作为研究对象，采用熔融-牵引成纤法制备火星壤纤维。

首先对模拟火星壤成分进行分析，发现其成分组成与地球玄武岩相似，且化学组分符合成纤要求。进一步的，对模拟火星壤的熔融特性进行表征。通过热分析判断其完全熔融温度约为1360摄氏度，其初始析晶温度约为1210摄氏度。因此，在成纤过程中，首先需要使炉膛温度大于1360摄氏度，保证模拟火星壤的完全熔融。其次，漏板温度需要高于1210摄氏度，保证在成纤过程无晶体析出。

模拟火星壤高温粘度测试结果表明成纤温度区间在1260摄氏度到1210摄氏度之间。我们所得纤维单丝最大拉伸强度为1320MPa，比钢筋的抗拉强度还强！

火星环境对纤维有什么影响？

火星上的环境与地球上的环境有很大不同：火星表面的重力是地表的三分之一；大气压是地表的百分之一；火星表面的辐射强度是地表的近50倍；大气层中95%的成分是二氧化碳。总体上看，这样的环境会对我们制备的纤维有好有坏。比如，低重力可让纤维更加均匀，高辐射环境会影响纤维的部分性能，干燥的火星大气对保持纤维的力学性能有利。

总之，我们的研究证实了可以通过熔融-牵引法利用火星土壤制备连续纤维，为原位利用火星资源开发火星基地的建设材料提供了一种新的方法，也算是为人类的火星基地建设开展的前期基础研究。

个人观点，仅供参考

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发稿人：《各地最新时事在线》总编辑：高山旗手