科普:“新黄金时代”的月球科研站

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中国战略新兴产业融媒体记者 赵涵星空浩瀚无比，探索永无止境。在“绕、落、回”三步走战略规划画上句号后，我们的探月步伐跨入一个新阶段——建设月球科研站。
近日，中国工程院院士、中国探月工程总设计师吴伟仁在2023年“中国航天日”第一届深空探测（天都）国际会议上披露了国际月球科研站建设方案。依据“总体规划、分步实施、边建边用”的原则，国际月球科研站将按照三个阶段分步实施：

一
2030年前后，建成国际月球科研站基本型，开展月球环境探测和资源利用试验验证。二
2040年前后，建成国际月球科研站完善型，开展日地月空间环境探测及科学试验，并建成鹊桥通导遥综合星座，服务载人登月和火星、金星等深空探测。三
之后，建设应用型月球科研站，由科研型试验站逐步升级到实用型、多功能的月球基地。
“月球是人类迈向更远深空的中转站，是研究生命、太阳系和宇宙‘三大起源’重要途径。”吴伟仁院士指出，建设国际月球科研站，搭建地外天体和空间的大型、长期科学研究平台，意义重大，并向世界各国发出合作倡议。


“嫦娥”为月球科研站“铺路”


月球是地球唯一的自然卫星，它距离地球约38万公里。迄今为止，人类对月球已进行了约120次探测。2004年，我国探月工程正式立项实施。2007年，嫦娥一号成功发射。“过去近20年间，探月工程实现‘六战六捷’，圆满完成‘绕、落、回’三步走战略目标。”我国深空探测重大专项总设计师吴艳华说。当前，中国探月工程已完成一到三期，探月四期工程正在稳步推进中。四期工程包括嫦娥六号、嫦娥七号、嫦娥八号，将建立国际月球科研站基本型。月球南极探测是月球探测的重点，月球探测是深空探测大战略的支点，我国探月工程项目将支撑未来星际探测。国际月球科研站之所以选址月球南极，是因为月球南极可能有连续180多天的极昼，光照条件好，温度在-80到-100摄氏度左右，适合人和机器设备长时间工作。按照计划，嫦娥六号将于2024年前后发射，实施月背采样返回任务，并开展月球背面着陆区的现场调查和分析、月球背面样品的分析研究等；嫦娥七号将于2026年前后发射，由着陆器、飞跃器等组成，开展月球南极月表环境、月壤水冰和挥发组分的探测与研究等；嫦娥八号将于2028年前后发射，由着陆器、飞跃器、月球车和月面操作机器人等组成，与嫦娥七号任务探测器和鹊桥二号中继星协同工作，构建月球科研站基本型，初步具备开展月球资源开发利用能力。2030年前后，将建成月球科研站基本型。嫦娥五号登月挖出1731克月球土壤样本，使我国成为世界第三次成功登月任务。2022年9月，我国科学家首次发现月球上的新矿物并命名为“嫦娥石”，我国成为世界上第三个发现月球上新矿物的国家。此后，在完善型阶段还将实施多次任务。比如，部署月面长期能源供给模块和多种形式机器人，携带样品返回地面，建立月基观测设施等。“近年来，我国空间技术能力实现重大跨越，建成深空探测重大基础设施，并与世界多个国家建立起合作，这些都为国际月球科研站建设奠定了坚实基础。”吴伟仁院士表示。


探索月球“宝库”


此前的地质调查表明，月球含有三种重要资源：水、氦-3和稀土金属。水冰存在于月球两极的表面，但主要是在南极地区。在月球南极有些很深的阴影坑，因为终年不见阳光，水可能以冰的形式存在。2020年，NASA 的平流层红外天文台(SOFIA) 还在位于月球南半球的克拉维乌斯陨石坑中检测到水分子 (H2O)，这是地球上可见的最大陨石坑之一。首次在阳光照射下的月球表面发现水，这一发现表明，水可能分布在整个月球表面，而不仅限于寒冷、阴暗的地方。月球表面还存有储量为100万-500万吨的氦-3，而氦-3是核聚变反应堆的理想原材料。如果用氦-3取代核聚变中的氘，不仅能解决能源危机，还可以大大减少核污染。据称，仅数十吨氦-3核聚变所产生的能力，就可以满足21世纪全球所需要的全部电能。目前人类尚未实现聚变发电，实际在月球提取氦-3也存在不小的难度。月球上还有丰富的矿产资源，其中备受关注的是钛铁矿和克里普岩。月海玄武岩中含有丰富的钛铁资源，约有1000万-2000万亿吨。钛铁矿经过采矿、选矿后不仅是制备月球基地所需要建筑材料的主要组分，还可用于提取金属铁、钛，以及生产水和液氧。克里普岩则因富含K（钾）、REE（稀土元素）和P（磷）得名，并含有丰富的放射性元素钍、铀。尽管目前的证据表明月球上的稀土元素含量低于地球，但仍将稀土矿物的开采视为一种可行的月球资源，因为其展示了广泛的具有工业重要性的光学、电气，磁性和催化性能。据估算，月球风暴洋区的克里普岩中，稀土元素总量约为200亿-450亿吨，远高于世界各国稀土的总储量。此外，月球上的太阳能资源同样非常可观。据统计，射向地球的太阳能由于大气反射、散射和吸收等因素，能够到达地球表面的只是一小部分；而月球没有大气，阳光可以直接照射到月球表面，每年到达月球范围内的太阳光辐射能量大约为12万亿千瓦，相当于目前地球上一年所产生总能量的2.5万倍。


开展五大科学主题研究


国际月球科研站是在月球表面或月球轨道上建设可进行月球自身探索和利用、月基观测、基础科学实验和技术验证等多学科多目标科研活动，长期自主运行的综合性科学实验基地。国际月球科研站在开发月球的过程中起着非常重要的作用。“国际月球科研站是在月球表面与月球轨道长期自主运行、短期有人参与，可扩展、可维护的综合性实验设施。”吴艳华指出。月球科研站由地月运输系统、月面长期运行保障系统、月面运输与操作系统、月球科研设施系统、地面支持及应用系统五大基础设施构成，具备能源供应、中枢控制、通信导航、天地往返、月球科考和地面支持等保障能力，持续开展科学探测研究、资源开发利用、前沿技术验证等多学科、多目标、大规模科学和技术活动。对于未来人类如何在月球上居住、出行，科学家们拥有许多畅想，并且已经开始研究。在居住方面，吴伟仁院士表示：“早期的人类就是生活在洞穴中，我们也可以在月球上寻找适合居住的洞穴。如果没有怎么办？可以充分利用月球上的物质，钻洞、盖房子，国内已有高校科研团队研究如何就地取材、利用3D打印技术在月球上搭房子。”在交通方面，中国计划建设以月球为中心的通信、导航、遥感星座，这个星座未来可以延伸至太阳系外更远的深空，进一步扩大人类的生存空间，目前这项任务正处于关键技术深化论证中。此外，为了实现地月往返运输，中国正在研制更大推力的重型运载火箭。曾经搭载过天问一号和嫦娥五号探测器的长征五号运载火箭高50余米，可将8吨左右的货物送到月球，而未来用于月球和深空探测的重型运载火箭将高达100多米，相当于30多层楼高，起飞推力达6000多吨，可以将50吨货物送到月球。由于月球环境具有超高真空、无大气活动、超洁净、弱重力、无磁场、地质构造稳定等特点，月球科研站可以充分利用“地利”开展各种研究活动。具体包括五大科学主题研究：月球“考古”，破解月球起源与演化问题；巡天揭秘，研究宇宙黑暗时代和黎明时代如何演化；日地联系，探寻类地球生存环境的本质；基础实验，开展月球生态实验、基础科学实验；资源利用，开发利用月球能源、物质资源。此外，月球科研站未来将由科研型试验站逐步升级到实用型、多功能的月球基地。通过在轨或月面活动，获得执行长期载人航天活动的经验，并为载人火星任务验证技术和能力。



重返月球计划

迎来人类探索月球的“新黄金时代”



美国意图在时隔半个世纪之后重返月球，计划载人火星之旅。美国国家航空航天局（NASA）正在进行“阿尔忒弥斯（Artemis）”计划，该计划旨在将宇航员送回月球并离火星更近一步。据了解，“阿尔忒弥斯”可能涉及多达11次月球任务，长期目标包括建造 Lunar Gateway（第一个环绕月球轨道的空间站）和阿尔忒弥斯大本营（地面站）。去年进行的“阿尔忒弥斯1号”任务经历了一波三折，原定于2022年4月份进行的发射在遭遇雷击、液氢泄漏、飓风等一系列问题后，推迟至11月中旬才成功发射。2022年11月16日，执行“阿尔忒弥斯1号”任务的美国新一代登月火箭“太空发射系统”（SLS）发射升空。SLS将没有载人的“猎户座”飞船送入月球轨道进行绕月飞行测试。2022年12月11日，“猎户座”飞船返回地球。NASA计划在2024年进行“阿尔忒弥斯2号”任务。这次任务将把4名宇航员送上月球轨道，但不会登陆月球。不久前，NASA公布了参加此次任务的宇航员名单。2025年，NASA计划启动“阿尔忒弥斯3号”任务，这是一项计划中的登月任务，将在 2025 年将人类送上月球表面。若能成功这将是自1972年NASA最后一次阿波罗任务以来人类再次踏上月球。NASA表示，将使用SpaceX星际飞船执行该任务。但这一目标能否实现，一定程度上取决于“星舰”的研发进展。据《纽约时报》此前报道，在“阿尔忒弥斯3号”任务中，“太空发射系统”和“猎户座”将把4名宇航员送至月球轨道。由于NASA没有制造自己的着陆器，需要依靠“星舰”登陆月球。NASA在2021年与SpaceX公司签订一份价值29亿美元的合同，让该公司为“阿尔忒弥斯3号”任务开发和建造月球着陆器，着陆器将与月球上方的“猎户座”飞船对接。在执行“阿尔忒弥斯3号”任务之前，SpaceX公司须进行一次无人驾驶测试，以证明其安全可靠性。4月20日，“星舰”的首次飞行在升空3分钟后爆炸。“星舰”飞船的研发出现问题，可能影响整个“阿尔忒弥斯3号”任务进度。据悉，印度继2008年首次登上月球，计划于2023年6月发射月船3号登月任务，搭载着陆舱和机器人漫游车探索月球表面。俄罗斯也计划于2023年7月启动其Luna25任务，将探测器放在月球上以从其南极地区收集样本。月球是距离地球最近的天体，也是人类开展深空探测活动的第一站，为人类探索深空充当“跳板”和中转站。如果说对月球的遐想只是人类探月历程上的起点，那么对月球的好奇，甚至对宇宙的好奇，或许是驱动人们持续探索的真正原因。

END

编辑：艾丽
审核：赵涵

政审：王军善

终审：朱永旗

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2023年4月1日出版

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