月壤材料面臨月球極-端環境挑戰：揭示凍融循環下的水分遷移奧秘

隨著月球探測任務的持續推進，利用月壤資源開展原位建造成為深空探索的關鍵技術。月壤即月球表面的覆蓋物質，由于其稀缺性和不可-再生性，科學家通過地球材料配制出模擬月壤，用于開發月壤燒結磚、月壤-水泥基復合材料和月壤-聚合物材料等建造材料。然而，月球極-端環境——晝夜溫差高達-173°C至127°C，導致材料內部水分反復經歷月壤低溫凍結與解凍過程，引發結構損傷風險。在這一背景下，低場核磁共振技術以其無損、精準的特性，成為追蹤水分遷移、評估微裂紋風險的突破性手段。

月壤與模擬月壤：地月研究的橋梁

月壤是月球表面由隕石撞擊、宇宙風化等作用形成的細顆粒物質。由于阿波羅計劃采集的月壤樣品極其有限，難以滿足大規模實驗需求，模擬月壤應運而生。通過匹配月壤的礦物組成、顆粒形態和物理性質，模擬月壤為地面實驗提供了可行替代品。

月壤低溫凍結與凍融循環：材料隱憂何在？

月球表面的極-端溫差使材料內部水分經歷劇烈的凍融循環。當溫度降至冰點以下，水分凍結體積膨脹，產生內應力；溫度回升后冰層融化，水分重新分布。反復的相變過程導致材料內部微裂紋萌生并擴展，最終引發結構失效。例如，月壤-水泥基材料若存在孔隙水，凍融循環可能使其韌性下降、滲透性升高，威脅構筑物安全。

此外，月球重力僅地球1/6，低重力效應可能影響水分分布與遷移規律。通過離心機模擬低重力環境，結合低場核磁共振技術，可研究水分在材料中的均勻性，為材料設計提供依據。

低場核磁共振技術：洞察水分遷移的“眼睛”

低場核磁共振技術基于氫原子在磁場中的弛豫行為，通過檢測信號幅度與弛豫時間，可非侵入式地量化水分含量、狀態（自由水/束縛水）及空間分布。在月壤低溫凍結實驗中，該技術能實時追蹤水分在凍結-融化過程中的動態路徑：

相變過程可視化：LF-NMR通過T2弛豫譜區分液態與固態水，精準捕捉凍結前沿的推進速率。

微裂紋風險評估：水分遷移常伴隨應力集中，LF-NMR信號變化可關聯微裂紋的產生與擴展，預警材料失效。

低重力環境模擬：結合離心裝置，LF-NMR可分析低重力下水分分布均勻性，優化材料配比。

與傳統檢測方法相比，LF-NMR具備顯著優勢：

無損檢測：避免取樣破壞樣本，支持長期動態監測；

高靈敏度：可識別微量水分及相變過程；

三維可視化：結合成像技術，呈現水分空間分布；

實時性：秒級數據采集，跟蹤快速凍融反應。

而傳統方法如熱重分析或電子顯微鏡僅提供終點狀態信息，無法捕捉動態過程；力學測試雖能評估性能衰減，但難以關聯水分遷移機制。

從月壤到模擬月壤，從地球實驗室到月球環境，低場核磁共振技術正以其精準、動態的檢測能力，破解月壤低溫凍結與凍融循環下的材料退化謎題。隨著技術的持續創新，它必將為地外建造材料的研發注入強大動能，助力人類在星辰大海中行穩致遠。