建设月球基地,要解决哪些难题?

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要在月球上建立长期基地，就要确保航天员能够安全地在基地内生活、工作，还要考虑长期可持续性，这就涉及到很多现实问题。

贝索斯提出的月球着陆器

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为水选址

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要想在月球上建立长期有人值守的基地，首先要解决水的供应问题。月球表面不是低地球轨道，如果靠地球不断发射货运飞船来解决用水问题，只能支持少数人的生活和探索，无法支撑大规模基地，也不具备应对突发灾害的能力。水循环利用也不能解决全部问题，因为在处理过程中总归要发生损耗，最好的办法，是在月球上找到一处能开采的水资源。问题是，有这种地方吗？

首选是月球南极艾特肯盆地沙克尔顿陨石坑边缘的一个位置。在2006年12月4日的一次报告会上，美国宇航局负责探索系统任务局的副局长道格·库克说，这里的光照时间长达75%到80%，毗邻一个永久阴影区。后者会保存有一些挥发性物质（水冰），可供提取和使用。

美国宇航局曾宣布，打算在月球的南极或者北极建立一个前哨站，安排航天员长期驻守，每6个月轮班一次。当时研究认为，月球极地陨石坑存在水冰，前哨站或许可以用当地采集的水来维持运行。前哨站设计包括以下要素：居住舱、太阳能发电机组、非加压月球车、现场资源利用（ISRU）单元、月表运输车。



民间人士提出的

月球着陆器+月球基地一体化方案

美国宇航局还提出了另外两个备选地点，包括月球北极附近的皮尔火山口边缘和马拉珀特火山口边缘的马拉珀特山区。

不过在月球极地区域，太阳风的吹拂会在火山口边缘的背风侧产生电荷。由此产生的电压差可能影响电气设备、改变材料表面化学性质、侵蚀材料表面，并且导致月球尘埃悬浮在空中。因此也有些人主张，在月球赤道地区建立基地。在这个位置，太阳风具有更大的入射角，所以氦-3浓度可能更高，可以采用核电站为月球基地供电。赤道位置对于月面起飞也更有利，月球赤道与地球赤道面、月球绕地球旋转的白道面基本重合，地月往返的轨道修正量比较小。

直接把居住舱安置在月球表面当然是最方便的，就像人类早期的南极考察站一样。但是月球可没有地球大气电离层的防护，无论用什么材料来制造，暴露在宇宙射线和太阳风之下的人造设施都会很快老化失效。而且，能够从地球送去月球的人造材料重量和体积有限，无法给月球居住舱提供足够厚的防护。

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洞穴和熔岩管

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既然月球表面上的条件如此恶劣，那么住在地下行不行？月球表面白天（约354小时）的平均气温约为107°C，最高可达123°C；夜间（也是354小时）的平均温度约为–153°C。不过月球内部的温度和压力随着深度的增加而增加，在地下设施里，白天和夜间的温度都是–23°C左右，用电暖气就可以把温度控制在人类可以舒适生存的程度。



藏在地下的月球基地

地下月球基地可以有效避免辐射和微流星体侵袭，也将大大降低空气泄漏的风险。但是地下基地的建设可能会更复杂。首先要从地球上遥控工程机械进行挖掘。挖掘完成之后，还必须进行某种硬化以避免坍塌。这样的技术倒是已经比较成熟了，可以用一些类似于混凝土的物质喷射到洞穴墙壁上，凝固之后就可以保证坚固，然后喷涂多孔绝缘材料实现密封。如果月球本地资源利用技术得到突破，也可以在现场制造上述材料。有学者建议使用“随用随化”的机器，这样，随着施工完成，就可以实现洞穴内壁的玻璃化。还有人提出，可以采用地球上矿井中的矿房、矿柱之类方法。先挖出一个比较大的洞穴，然后把软质的充气式密封居住舱设置在洞穴内。这样，洞穴就算有少量漏气，也能确保居住舱内的气压和温度正常。通过这种方式，可以最终建造一座地下城市。采用这样的思路，还可以在洞穴顶部设置一个人造太阳，为地下农场提供阳光。



月球基地里的农场

除了人造地下设施，人们也期待着能在月球上找到一些天然形成的洞穴。月球早期是一大块岩浆，凝固之后才形成了今天的月球。因此这些洞穴一般是在凝固过程中，因为岩浆体积逐步缩小而形成的空洞，月球研究专业人士称之为熔岩管。人们认为，在火星上也可能存在这样的熔岩管。

到目前，人类发射到月球上的探测器都还没有实地发现或者考察一个真实存在的熔岩管，阿波罗登月期间航天员也没有去寻找这种地形。一部分环绕月球的探测器拍摄到了疑似熔岩管的地貌，这说明寻找天然洞穴来建设月球基地是有希望的。

如果能找到一个合适的熔岩管，将会对月球基地的建造带来巨大好处。熔岩管可以让基地设施和航天员躲避月球表面的恶劣环境，不受频繁陨石撞击、高能紫外线辐射和高能粒子的袭击，空调设备的工作负荷也没有月球表面那么大。当然，也可以省去挖掘人工洞穴的巨大土方工作量。

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人工山

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那么，能不能在月球上建一座人工山呢？为此，很多研究者都提出了所谓的双穹顶方案，就是先建造一个人造设施，然后用月壤把它覆盖起来。按照美国方面的研究，月壌主要成分是二氧化硅和含铁化合物，如果能用强大的微波束照射加热，就可以把它们融化，再凝结起来，就可以形成玻璃状固体。有一位叫做巴拉科克的科学家认为，这种“月球玻璃”机械性能可能相当不错，是制造刚性结构的一种有前途的材料。也可以用这些月壤烧制成“月球砖”，敷设在金属框架上。


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3D打印技术出现之后，理所当然地成为了月球科学家们最关心的建筑技术之一。除了美国宇航局之外，一些私营企业同样在设计月球3D打印技术。根据一家叫做“福斯特伙伴公司”的企业研究，如果用月球表土材料制造建筑材料，覆盖在充气式居住舱上，那么整个建筑工程只有10%的结构材料需要从地球上运输过来。具体来说，这种技术是把月壌与氧化镁混合，再使用粘合剂“将这种材料转化为石头状固体”。据说，以这种3D打印样机的能力，足以在一周内建成一处房屋。



美国宇航局打算用3D打印的方式

在月球上盖房子



月球基地的地板也是3D打印的

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电力供应

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无论建造还是生活，人们都需要为月球基地提供足够的电力。目前为止的月球探索使用过三种供电手段——化学电池、太阳能电池和放射性同位素电源。化学电池是阿波罗登月期间月球车和钻探工具使用的。因为每次阿波罗任务在月球上的活动时间都非常有限，因此化学电池也足够使用了，这当然不能作为长期月球活动的能源。

月球上没有大气层，太阳光直射表面，能量强大。因此只要是在月昼期间，太阳能发电不成问题。而且太阳能电池板生产所需的硅材料、电池板支架需要的铁和铝等材料可以在月球表面开采，对后续月球基地逐步扩大有很大的优势。也有人提出可以用太阳能制热，然后用斯特林发动机来驱动电动机。然而月昼虽长，月夜同样很长，要想获得持续电力，就必须把太阳能发电站设置在两极，或者在月球基地设置大容量的燃料电池。燃料电池技术已经在航天飞机上进行了成功的应用，最长可以运行17个地球日，超过了月夜发电的需求。当今的质子交换膜（PEM）燃料电池远比航天飞机上的技术先进，不过质子交换膜尚未实施过空间飞行。不管怎么说，将燃料电池与太阳能发电结合起来，有希望提供一种可持续电力。更有一些人提出，可以把发电卫星部署在月球静止轨道上，这样就不用担心什么月夜了。然而月球静止轨道距离月球表面十分遥远，波束发散问题比较严重。



日本的月球基地构想

月球表面的环境严酷。即使用厚厚的月壤来覆盖，也未必能彻底挡住宇宙射线，特别是高能粒子。因此有人提出，需要建造人工磁场来提供辐射屏蔽。这就需要为月球基地提供强大的电力，太阳能发电场是否能满足要求，让人有些生疑。所以，在月球上建设核电站的合理性似乎也是存在的。但这其中所需要的投资和要攻克的技术难关，也是可想而知的。

根据美国宇航局在2000年提出的裂变表面能（FSP）项目，可以在月球上采用低温不锈钢、液态金属冷却反应堆技术以及斯特林发电机来发电。到2010年，FSP的重要部件测试已经完成，非核系统演示测试正在断断续续地推进之中。FSP可以产生稳定的40千瓦电力，相当于地球上大约8座独栋别墅耗电量。这种反应堆埋在月球表面以下，可以避免对航天员造成辐射，塔状的发电机部分延伸到反应堆表面以上，伞状的散热器伸出月面，直接对着太空辐射废热。

我们前面还提到了放射性同位素热电池。目前俄罗斯在核电池方面处于领先地位。这种电池的特点是结构简单、可以没有活动部件，但是发电功率比较低，可以作为月球基地的备用电源和应急电源。

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分基地和交通

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从上面的论述可以发现一个问题，似乎没有哪个基地选址是绝对完美的。那么，人类能不能在月球上多个不同地点各自建立一个基地，承担不同的任务呢？如果月球矿产勘探取得成果，发现了一些重要的富矿，那么开设多个基地的必要性就更加显著了。因此，科学家们已经开始讨论月面交通的问题。很显然，用月球车来通勤或者运输实在太慢了，那么铁路行不行呢？月球上没有空气阻力、重力比较小，也不用考虑征地拆迁之类的麻烦事。中国人擅长的高铁有更好的条件发扬光大，甚至货运列车也能跑出飞机速度！当然，如果乘客们不想穿着航天服坐敞篷火车，就需要在铁路客车当中设置生命保障系统。

如果要到距离基地比较远的地方进行考察，月球车速度又太慢的话，也可以考虑飞过去。月球上没有空气，采用气动飞行原理的飞机当然是用不上的。因此，科学家们很早就设想了喷气式弹跳飞行器，美国贝尔航空系统公司就曾经提出这样的理念。当然，马斯克的不锈钢火箭“星舰”要是真的能研制成功并且进入宇宙，也是可以承担这种工作的。



马斯克的“星舰”

可以作为月面远距离交通的运输工具

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地月运输

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虽然本文的重点是月球基地，但是我们仍然有必要讨论一下建设月球基地的先决条件，那就是登月飞船。严格来说，现在无论中、美、俄，都还没有把登月飞船研制出来。美国的阿波罗飞船早已经失传了，苏联的登月飞船不过是个PPT。中、美、俄正在研制的，是往返于地球和和环月轨道的载人飞船。进度最靠前的是猎户座飞船。这个从2004年就提出的型号已经实施了一次空间飞行，它能不能真的飞往月球，其实取决于SLS火箭的研制进度。

中国新一代载人飞船在2020年初也实施了一次飞行，它的后续研制进展，同样需要等待更高性能火箭的研制成功。相比之下，俄罗斯新一代飞船“鹰”的进度让人担忧，人们迄今为止见过的，还不过是模型而已，工程样机还不曾亮相。俄罗斯在2020年曾经公开宣布，要在2024年实现首次飞行，能不能真的实现，不妨继续观望。

本文原载于《太空探索》杂志2021年第6期。

文/王佳



本文转载自公众号：中国军视网



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