科学来分析下：人类建造月球基地究竟有多难？

　　北京时间2月18日消息，据国外媒体报道，1975年，在阿波罗号最后一次登月的第三年，《太空：1999》首次在英国电视节目中播出，这部电视剧描述了一次核爆炸破坏了月球，一支由300多人组成的国际月球殖民者离开了月球轨道，开始了一段未知的太空探索之旅。

 

　　这部电视剧对当时年轻时代的埃隆·马斯克（ElonMusk）留下了深刻印象，2017年8月，马斯克披露了他们在月球建造人类基地的计划，并将其命名为“月球基地阿尔法”，这个名字源自电视剧《太空：1999》中的太空月球基地。马斯克在推特上称，这部电视剧并未带给观众轰动效应，但是他个人非常喜欢。

 

　　据悉，并非只有SpaceX公司制订了人类登月计划。中国国家航天局（CNSA）宣布成功完成“嫦娥四号”探月任务的新阶段任务，之前“嫦娥四号”成为首个在月球背面软着陆的航天器。

 

　　在全球范围内，人类月球登陆50年之后，建造月球基地的可行性逐渐成形。具有讽刺意味的是，虽然只有美国在月球上留下了足迹，但是美国人现在不得不加倍努力迎头追赶。到2018年8月美国才宣布建造一个永久性月球基地的计划，在此之前美国宇航局关注的焦点是火星，相比之下，欧洲航天局已经领先一步。

 

　　月球村

 

　　欧洲航天局宣布计划建造一个永久性月球基地，在新任局长简·韦尔纳的倡导下，提出“月球村”概念将包括各种群体，其中包括：科学家、艺术家、公共组织和私人组织。月球村可用于天文研究、旅游或者地质勘探地球上短缺矿物质。

 

　　同时，美国麻省理工学院媒体实验室空间探索计划创始人阿里尔·埃克布劳也希望“空间民主化”，为此他召集了一支多学科研究小组，具备了机器人、合成神经生物、建筑、艺术、空间和设计等技术力量。

 

　　并非所有人都这样想，但是欧洲航天局科学顾问艾丹·考利对韦尔纳的观点表示认可，因为他是首批在欧洲航天局总部研究月球技术的专家之一。他说：“最初每个人都在看着我，好像我有两颗脑袋一样，因此对我而言，看到人们对月球的关注越来越多，我感到非常满足，这也证实了人们对月球探索意义的认可。”

 

　　美国宇航局计划在2030年前将宇航员送上月球表面，并计划在月球轨道建造一个叫做“网关（Gateway）”的月球轨道平台，目前商业公司也开始准备登陆月球展开探索计划。例如：“蓝色起源”公司正在与OHB、MTAerospace建立合作关系，计划发射“蓝色月球”太空货船登陆月球表面。但无论哪个组织最先到达月球表面，优先任务是幸存下来，到目前为止，人类在月球表面生活的最长时间只有3天。如果人类计划停留更长时间，月球并不是最受欢迎的目的地。

 

　　月球目的地

 

　　月球表面温度在零下127摄氏度至零下173摄氏度之间，存在着一定的辐射等级，处于低重力条件，其重力仅是地球的六分之一。一个月球日大约相当于29个地球日，这意味着登陆月球的探测器将经历持续29个的白天，然后是持续29个的黑夜，太阳能充电可能成为一个问题。因此，月球前哨基地的任何新技术都必须适应这些条件。

 

　　德国太空专家皮埃尔·亚历克西斯·朱梅尔称，这项太空竞赛将持续5年时间，因为月球竞赛的目标是将最好的团队想法带到月球表面。

 

　　基于这些努力，“蓝色起源”、空中客车太空防务及航天公司、欧洲航天局在内的几个机构近期成立了一个叫做“月球竞赛”的非营利组织，其目的是鼓励企业在制造、能源生产、水资源开发（使用月球水灌装瓶子）和生物制造（维持第一个月球温室）等领域开发技术，并将在2019年10月在国际宇航大会上正式启动。

 

　　朱梅尔是空中客车防务及航天公司太空工程师、“月球竞赛”联合创始人，他指出，我们将在今年3月发布相关指导方针和规则，这项比赛将持续5年时间，因为月球竞赛的目标是将最好的团体理念应用于月球表面开发。

 

　　“月球竞赛”技术原型是在月球条件下进行测试，并构建在月球任务基础之上。朱梅尔表示，这项太空任务主要依靠多家太空机构协作完成，我们最初计划在2024-2025年实现。

 

　　建造月球家园

 

　　尽管早期月球基地的概念富有艺术想象力，但实际将受到现实条件的约束限制，毕竟到月球旅行成本非常昂贵。太空负载越重，所需燃料就越多，相应的成本也越高。利用月球现有资源建造一个生活空间是具有意义的，有可能使用熔岩管，在月球早期火山活动形成的隧道作为避难所，获取月球表面之下的冰冻水资源。但一个更加直接的计划是利用月球风化层（一种类似于地球火山沙的细黑玄武岩沙）建造一个栖息地。

 

　　科隆大学马蒂亚斯·斯佩尔教授与德国航天机构DLR合作，使用火山粉末制造砖块，月球风化层模拟物是通过一种叫做烤结处理的过程制造的，在烧结过程中，聚焦阳光或者激光将相关材料粘合在一起。他使用3D打印机制作不同形状的砖块，并观察哪种效果最好。斯佩尔说：“我们可以使用当前技术和建造外形来构造建筑元素，我们并不是在玩乐高积木，但是我们在制造扣锁砖块。”

 

　　这些砖块将建造一个类似冰屋的建筑结构，这样它就能抵抗来自顶部的额外压力。斯佩尔说：“冰屋顶部的压力来自一层1米左右厚的松散风化层，因为月球没有风可以将这些风化层物质吹散，但同时它们可作为一种天然的防辐射保护层。你需要带上一个1平方米或者更大的透镜来捕捉太阳光线，从而实现月球灰尘的3D烧结和打印。之后你需要一位宇航员，或者一个机器人，将这些碎片拼凑起来，最终形成一个人类定居点，月球风化层内部氧气也可以提取出来供人类呼吸。”

 

　　斯佩尔说：“但是仅仅建造一个月球人类定居点将是一个缓慢的过程，做一块砖大约需要5个小时，建造一个冰屋需要1万块砖，这需要几个月的时间。”

 

　　如果投入使用更多的透镜，并采用机器人建造月球人类定居点，相应的建造时间可以缩短，但这是一个可行的计划。月球风化层可以用于建造像混凝土一样坚固的建筑。当前的技术仅能提供混凝土五分之一的强度，大约相当于石膏的强度，因此需要进一步开发设计才能达到最终理想的强度。下一个阶段是评估，幸运的是，欧洲航天局大型月球设施将于今年晚些时候开始建设，该设施可以为未来人类月球生活提供技术和生存条件。

 

　　如何幸存

 

　　由于科学家在月球两极发现了水冰证据，并在2018年8月获得美国宇航局的最终确认，意味着任何月球基地都可能在月球两极地区建造。月球风化层内部的氧气也可以被提取供人类呼吸，最可能的来源是钛铁矿（FeTiO3），当钛铁矿在大约1000摄氏度时与氢气结合，将产生水蒸汽，之后水蒸汽分离处理可以产生氢和氧。

 

　　首先，宇航员需要食物和饮料，“嫦娥四号”在月球实现种子发芽，令研究人员感到兴奋，事实上在太空中生产可持续食物并不是一个新想法。该想法最初源自于1982年，当时前苏联宇航员在“礼炮7号”空间站上种植拟南芥。

 

　　2010年，美国亚利桑那大学开发一种“月球温室”原型——一种水培系统，使用5.5米长的薄膜覆盖管、水冷式钠蒸汽灯和“封套”保存种子，利于宇航员呼出的二氧化碳和排出的尿液提供水分，光纤线缆提供阳光。

 

　　能量

 

　　新能源技术是人类在月球上生活的关键，地球上的燃料电池需要氢和氧（通常来自空气）之间的化学反应来产生电能，而水是副产物。虽然月球没有大气层，但仍残留部分大气成分。

 

　　负责开发这些最新技术的考利说：“你可以将月球上的水资源进行分解，在夜晚重新组合产生电能。白天我们拥有大量的太阳能，剩余的太阳能用于分离水，形成氢和氧，因此这是我们在月球上用于维持长期勘测任务的独特工具。”

 

　　利用类似热泵的处理过程存储热能颇具潜力，考利说：“月球上并不存在对流层，因为没有风，所以来自太阳的热量停留在风化层中。我们可以使用透镜或者镜子将阳光聚焦在地面上，利用这些资源来维持人类生活基地的温度或者进行发电。”

 

　　一旦这些技术得以完善并进行测试，并确保在月球条件下工作，宇航员将能够建立一个月球基地，这比你想象的要实现得更快。