火星是太阳系中与地球最为相似的行星,是人类未来唯一有可能实现大规模移居的星球。预计2030年左右,人类将首次登陆火星。未来100年,在火星上的人口规模有可能达到100万人,从而使人类实现在地球之外的其他星球生存。移民火星,必需建设定居点。而建设定居点的第一步,就是利用火星上原本就有的土壤,石块,水等资源,来生产砖块、辐射防护装置、望远镜基座、火箭发射台等结构。
地球上的“土壤”是由岩石风化而成的,其中含有动物、植物、微生物等有机体腐烂分解后的有机质。然而在火星的土壤中还没有探测到有机质的存在,因此,火星土壤与地球土壤存在本质区别,用“风化层”来描述火星土壤可能更为准确:它是由火星表面岩石经风化作用形成的,由细颗粒组成且可渗透性的风化层物质。于是,如何用这样的火星土壤制砖,成了科学家们研究的课题。
此前,已经有学者进行了这方面的探索,但得出的结果是都需要加入一定比例的添加剂,或者进行高温煅烧。而最新的研究却表示:不用加入添加剂,直接加压成型,我们也能制成“火星砖”。在该项研究中,研究者采用一种代号为Mars-1a的模拟火星土壤,进行了生产结构材料的实验。压砖的方式包括静态加压、冲击加压两种方式。压砖时的外壳模子,分别包括弹性模子、无模子、刚性模子三种方式。然后分别比较这些方式压制的砖块强度。
研究发现,在压砖前,模拟火星土壤的颗粒大小约为25-45微米。压成砖块后,其中大部分颗粒的直径都小于10微米。所以,如果火星土壤中含有的石块,在压砖过程中都会被压碎。土壤中是否含有小石子,对砖块的强度基本没有影响。但玄武岩在砖块中的作用就像沙子一样,并不能提供粘结力。用直接压制这种方式生产的砖块,之所以不需要添加剂,主要原因是,模拟火星土壤中含有的氧化铁颗粒使土壤粘结在一起。
这种氧化铁颗粒极为细小,只有纳米级大小,起到了很好的粘合剂的作用。
实验发现,利用火星土壤,采用一步压砖的方式,在约30-50兆帕的压力下,用静态加压或冲击加压的方式,都可以生产出砖块。其中,氧化铁纳米颗粒提供了土壤颗粒主要的粘结力。如果在土壤中加入纤维等加强筋,还可以提高砖块的强度。可能还有好奇宝宝会问,这是模拟火星土壤做的实验,真的到了火星上,这种方式还会管用吗?
其实,人类已经进行了四十多次火星探测,获得了大量火星土壤的探测数据,地球上也收集了许多来自火星的陨石。虽然人类还没有登陆火星,但科学家其实对火星已经相当了解,火星是整个太阳系除地球外,人类了解最为透彻的一颗行星。而模拟火星土壤,正是以真正的火星土壤成为模拟对象,以地球上的天然岩石和矿物为原料,经过一定的加工,在物理性质和化学组成方面与火星土壤最为相似的物质。
建设火星城市必须要做的烧砖、生产氧气、提取水、种土豆(咦?)等工作,先模拟火星土壤进行地面实验,是必不可少的。2020年,中国人也将发射火星探测器奔赴火星。中国科学家目前正在积极开展相关研究,尽可能充分地了解火星表面的环境特征和土壤的承载能力等基本情况。只有我们对火星的情况了解得越充分,我们登陆火星才越有把握。