人類在月球建立基地，需要做哪些準備？

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撰文 | Elizabeth Gibney

全球研究人員紛紛開始推進建設月球基地的計劃。

今年，宇航員Matthias Maurer就準備在月球表面行走了——但是他不需要費力坐上火箭，經受零重力帶來的反胃，再冒著風險著陸。他只需要從德國科隆的家出發，走過一片落滿樹葉的草坪，那裡會建起迄今為止最大規模的月球模擬工事。

Mauer和其他科學家會在一個佔地1000平方米的人工月塵坑裡，綁上一套吊裝設備，以體驗月球低重力下的跳躍；也會在調光燈下工作以模擬月球上不同位置的光照。有時候，他們還會回到月球樣式的居住區：一個貨櫃大小、用氣閘連接的模塊。

插圖：Maciej R?bisz

Mauer說，這是一個令人激動的月球技術測試沙坑。這座月球模擬工事被稱為LUNA，正在科隆的歐洲宇航員中心外漸漸顯露雛形。它造價達數百萬歐元，資金來源包括歐洲空間局（ESA）和德國航空太空中心（DLR）。但是48歲的項目經理Mauer不知道自己還能不能把鍛煉出來的技術用在“真貨”上。“希望我能在退休之前上去一次。理論上說，我相信我還是可能在月球上走一次的。”他說。

Mauer的樂觀並非毫無根據。上一次有人登陸月球的時候他還只有兩歲：那是NASA的最後一次阿波羅計劃，登月的是美國宇航員Eugene Cernan。在那之後，就沒有任何一個航天機構出錢再送人上去了。但是，由於政治策略改變等原因，人類重返月球的勢頭正在上漲。和再來一次阿波羅計劃相比，航天機構逐漸傾向於建立一個可持續性的殖民地。

正在建設中的科隆LUNA的藝術想象圖，圖中顯示了它的人工表岩屑和可調控的燈光。

來源：歐洲宇航員中心/ESA

研究人員對這個在月球上建立基地的想法充滿期待：月球基地上可以開展實驗，並為登陸火星提供技術測試場。至於私人公司，則越來越被從月球冰中采掘氧氣和氫氣作為火箭燃料的可能性所誘惑。如果這能成功，月球就會成為一個加油站，大幅降低空間旅行的成本。

“水就是太空中的油，並且有著充足的證據表明月球上存在具有經濟開發價值的水礦脈。”美國科羅拉多礦業學院的航空科學家George Sowers說。他曾在一家為美國政府提供發射服務的公司聯合發射聯盟（United Launch Alliance）任首席科學家。

航天機構一般不太願意預告月球駐人基地的時間線，有一部分原因在於這個目標遠超他們的預算周期，另一部分原因則是他們需要各種企業來為各個階段提供資金。不過，ESA主席Jan W?rner在近幾年裡一直在說，若乾國家和企業計劃合作建立半永久性月球基地，他稱之為“月球村”。中國官方媒體也曾引用國家航天局說建立月球基地是其目標之一，不過沒有宣布時間線。

設計： Jasiek Krzysztofiak

17年12月，月球探索的前景變得明亮起來。當時美國簽署了一份總統令，要求NASA將願景從探索小行星轉到將人送回月球。NASA在那之後請了若乾企業開發著陸器技術，並準備好了在接下來五年內為支持月球探索的新項目申到數十億美元的計劃，最終目標是讓人類重返月球。“這基本是個急轉彎。”Sowers說。

去年10月，空中客車公司（Airbus）發起了 “月球競逐”（Moon Race）比賽，讚助者包括了ESA和美國航天公司藍色起源。這項比賽承諾向為月球的可持續性開發提供關鍵技術的公司提供資助。

在接下來的幾年裡，登月項目隻局限於機器人：中國和印度會在接下來的3個月裡發射探測器，俄羅斯也計劃在接下來的5年裡發射探測器。但是NASA、ESA，以及俄羅斯、日本和加拿大的航天機構都支持在21世紀20年代中期於環月軌道上建立一個空間站的計劃。（美國總統川普在2019年的預算申請裡提出，NASA在接下來的5年裡可以為這個項目花費27億美元。）

環月空間站會成為一個基地，由此可以通過加壓的探測車在月球表面進行一些幾周長的短期旅行——Maurer把它叫做“露營車解決方案”。最後，就可以建立殖民地了。“我覺得20年後建立起某種月面建築是比較現實的，要麽是供人類居住的，要麽是由人類維護的。”ESA的人類與機器人探索戰略官員James Carpenter說。

研究人員研究如何采掘月面資源已經有很長時間了，但更多的只是一種希望而不是實際計劃。現在，他們開始了月球殖民技術的研究，並誠心期待著這些工作能成為現實。當Mauer和其他人在ESA的LUNA中心練習如何在月球表面居住和采掘時，其他人則在研究如何種植糧食，如何建造防異塵餘生的房屋。

去年7月，ESA在歐洲空間研究與技術中心舉行了一場籌備未來人類登月計劃的會議， 250多名來自學術界、礦業、冶金業、建築業和設計業的專家人士在會上發表了意見看法。“要是五年前開這場會，可能就只有一小撮人參加，”歐洲宇航員中心的科學顧問Aidan Cowley說，“人們的興趣確實大大增加了。”雖然月球基地還不一定真的會出現，但是地球人著實已經開始為它做準備了。

來源：NASA；設計：Jasiek Krzysztofiak

采掘水礦

月球殖民者的第一個挑戰就是采掘水。阿波羅計劃從月球赤道上收集了一些樣本，樣本顯示我們的衛星是一個乾燥的不毛之地。因此，十年前發現月球極地有一塊一塊的冰“改變了一切”，NASA肯尼迪航天中心的高級技術員Robert Mueller說。他負責開發月球采掘技術。

現在，研究人員還不清楚冰具體在哪裡，有多厚，是和土壤混在一起還是層層疊加的。預計明年發射的印度月船2號探測器（Chandrayaan-2 rover）和預計2022年發射的俄羅斯LUNA27號著陸器將著力回答這些問題。俄羅斯的著陸器會攜帶ESA設計的2米長的鑽頭，以及一套實驗設備來研究月球水的來源和豐度。

NASA也看上了月球水，因此已經委託幾家公司開發可以攜帶采掘設備的月球探測器，最早明年就開始動工。Sowers說，一個四人居住的人類基地所需要的水可以忽略不計——可能每年十幾噸吧。月球上的水足夠多，“根據目前的數據估計，可能兩極各有100億噸。”

大部分的冰都會被采掘出來用作燃料。根據Sowers的計算，礦業公司每年只需要采掘1000噸左右的水，並將其電解成為氫和氧用作燃料就可以獲利。月球的低重力意味著從月球給長距離太空旅行提供補給比在地球補給更便宜。以一次往返月球的任務為例，如果在月球上加一次燃料，那麽成本就只是在地球上加滿燃料往返的五十分之一。

插圖：Maciej R?bisz；設計：Jasiek Krzysztofiak

去年8月，科學家根據印度月船1號的數據，發現月球的冰是在月球表面上的——但是只在永遠處於陰影中的月球坑裡有。這些-249°C的月球坑是太陽系中自然形成的最冷的地方。挖掘器械需要熱量和能量才能采出這些水並將其轉換成燃料。因為基於自然衰變產熱的鈈基電池對私營公司來說太貴了，所以月球采掘可能必須要利用太陽的能量。

挪威南部一座名為Rjukan的小鎮將為此提供靈感。2013年，人們在一座山上架設了一面巨型鏡子，俯瞰小鎮，於冬天又陰又冷的中央廣場照出一塊明媚之地。Sower說月球冰的采掘者希望能在月球上效仿此舉，高山上的陽光可以直接折到坑裡，用來加熱冰並將其轉化成蒸汽。然後，冷凝水就被轉移到處理廠中，借助太陽能分解成氫氣和氧氣。這些氣體會被儲存起來，用作燃料或是放到燃料電池裡供能。

插圖：Maciej R?bisz；設計：Jasiek Krzysztofiak

另一種做法是，探測車可以鏟起帶冰的土壤，並放到爐子裡加熱來釋放水。爐子可以無線供能：將高能雷射照到探測車的光伏電池上。LUNA可以測試這在現實中是否可行。ESA的Leopold Summerer說，現實中會有額外的難點，例如月球大氣中的塵埃會散射雷射。Maurer說，LUNA的科學家還會爬進模擬的月球坑裡，看看在這些又黑又深的坑裡探索難度如何。

靠土吃土

如果無法獲得冰，那麽月球上還有另一種水源：月球土壤，又稱表岩屑。表岩屑裡包含了矽和金屬氧化物——平均來說包含43%品質分數的氧，月球上到處都有。從土壤裡提取的氧可以為遠離極地、具有科學或經濟價值的基地提供能量，並產生有用的副產物，如稀有金屬。

插圖：Maciej R?bisz；設計：Jasiek Krzysztofiak；

數據來源：H. R. Fischer Aeronaut. Aerosp. Open Access J. 2, 243–248 (2018)

表岩屑並不會輕易獻出它的“財富”。將氧從化學鍵中釋放比加熱冰更耗能。理論上說，反應器可以使用大型鏡子將太陽光折射到一個比信封稍大一點點的爐子上，將月球塵加熱到超過900?°C，直到它發亮為止。在這一溫度下，從地球帶上去的氫氣或碳可以把氧從礦物中剝離出來，並和氫元素結合形成水。

2010年在夏威夷使用模擬月球表岩屑進行的實地測試證明了這一操作是可行的——但是並沒有測試低重力和真空的環境。“這基本上是證實可行的技術，幾年內就可以準備就緒了。”Mueller說。

研究人員希望能夠再改進一下這項技術，減少必須從地球帶上去的東西。在意大利米蘭理工大學，一個由航天工程師Michèle Lavagna長官的團隊正在開發一個能在低溫下工作的原型機，它可以循環利用一切輸入物質，在本例中也就是甲烷和氫氣，這樣就只需要消耗土壤了。

現在，一套設備需要花幾十年時間才能產生足夠把阿波羅號類型的登陸器送進軌道上的水。但是Lavagna說，在月球上可以同時運行多個反應器。她的團隊已經從ESA獲得了69.2萬美元的資金，現在正在製作一個小到可以帶上太空的演示機。

英國冶金公司Metalysis則試圖不採用化學反應，而是通過向熔鹽浴通電來從固體金屬礦中脫氧。Metalysis公司率先採用的這項技術可以為航天工業提供高品質合金，未來還可能為月球上用的機器提供高純度的金屬。

棲居之地

Maurer表示，如果采掘水無利可圖，那麽仍然會建造一個用於科學實驗的基地。“即使沒有商業上的願景，也只是會慢一點成型而已，”他說，“我們可能會變成和南極科考類似的情況——完全出於科學興趣而為。”

美國西南研究院的行星科學家Robin Canup說，研究人員對於重返月球後可以做的實驗充滿期待。對古老的月球坑采樣可以揭示出地月系統是如何形成的，當時早期太陽系仍然處於不穩定的狀態，小行星一直在撞擊月球。研究人員還希望能夠研究月球的水循環和地震學，並且希望裝設一個可以免受地球干擾的射電望遠鏡，用以研究早期宇宙的異塵餘生。

但是和南極不同的是，月球居民的房子必須能抵禦帶電粒子異塵餘生和宇宙中降下的小型隕石——因為月球幾乎沒有大氣和磁場的防護。第一批簡易房很可能要從地球帶上去，但是需要用幾米厚的沙子或表岩屑覆蓋起來，Maurer說。

插圖：Maciej R?bisz；設計：Jasiek Krzysztofiak

解決方法之一是利用大自然：利用懸崖、峽谷、山洞和熔岩洞（古代火山活動所產生的隧道）來保護居住區。前年，科學家們重新分析了日本航天機構的“輝夜號”軌道太空船所獲得的雷達數據，以及NASA的“聖杯號”所提供的密度測量，並在月球正面馬利厄斯丘陵下發現了一條候選隧道，看起來長達數千米。在地球上，研究人員已經在西班牙加那利群島的蘭薩羅特島熔岩洞裡，練習好了如何操控探測車，為未來的月球探索做準備。

探測車的原型機正在西班牙加那利群島試運行。

來源：Robbie Shone/ESA

在距離LUNA幾百米的德國航空航天中心（DLR）實驗室裡，Matthias Sperl正在測試另一個點子——利用表岩屑培養人工石。在Sperl的實驗室裡，一束強光聚焦到了硬幣大小的光板上，產生鋼彈1100°C的溫度來熔合數層粉末。經過一段時間之後，這些粉末層就長成了深黑色的粒質磚塊，這和3D列印是一樣的。

Sperl說在月球上，可以通過聚焦陽光達到同樣的效果。他的項目屬於RegoLight的一部分，RegoLight是DLR、比利時航天公司SAS和其它建築工程公司合作的一個100萬歐元的項目。Sperl說，這些層狀物結合得不是很完美，但是這樣得到磚塊已經有混凝土五分之一的強度，並可以和石膏相媲美了。

Regolight項目使用強光，將月球表岩屑（圖中）熔合成石膏狀的磚塊（圖右，30分鐘製成）。也可以做出更大的磚塊（圖左，3小時製成），但是結合得就沒那麽好了。 來源：DLR

維也納的建築公司Bollinger Grohmann Schneider和Liquifer Systems Group於四月宣布，他們可以將磚塊組合成拱形或穹頂來造出穩定的建築。Sperl說它們堅固到足以經受住月球上的地震，並且在上面放更多防護性的礫石也能承受得住。他說目前這種工藝需要花費5小時來製作一塊磚——但是聚焦更多的陽光就可以加速這一過程。其他科學家則在探索使用微波爐熔合表岩屑，或是利用從地球帶上去的聚合物等材料結合表岩屑來造房子的可能性。

甘藍充饑

植物科學家也花了很長時間來思考一個可以自給自足的月球基地所需的最後一項要素：食物。作為封閉生態系統的一部分，植物可以循環利用有機廢物，並將二氧化碳轉化為可呼吸的氧氣。去年五月，中國官方媒體報導，志願者已經在“月宮1號”模擬基地的封閉生態系統裡破紀錄地居住了370天。他們在裡面種植作物，並通過養黃粉蟲來獲取蛋白質。

國際空間站（ISS）的宇航員已經在吃太空種植的生菜和其它綠葉蔬菜了。NASA在肯尼迪航天中心有一個被稱為“蔬菜”（Veggie）的項目，用來選擇能夠在密閉空間裡生長良好，且包含了在存儲中最易降解的營養素（維生素C1、K和鉀）的作物。最終優勝者是甘藍。“它在各個方面都超群出眾。”“蔬菜”項目經理Trent Smith說。

在月球上，宇航員將會在水裡種植作物。他們會使用白色和紅色的LED光，通過調節光照來改變植物的礦物質和維生素成分。今年，國際空間站就會做實驗驗證蕃茄的成分會如何受光照影響。

此外，還需要進一步的實驗來確認在表岩屑的金屬組分中最好應當如何種植作物。“我們希望知道該如何從基本是太空塵埃的物質當中構造出活性土壤。”Smith說。“蔬菜”項目的研究員Matthew Romeyn補充表示，如果表岩屑中能長出植物， “那就意味著我們可以在葉菜之外帶小型水果樹上去了。”

插圖：Maciej R?bisz；設計：Jasiek Krzysztofiak

“如果人類受製於月面上的危險環境而只能短期居住，又不能在當地培育食物的話，整個項目就會崩盤。”Mueller說。除此之外，法律上也可能會有阻礙：所有太空探索大國都簽署了1967年的《外層空間條約》，其中規定任何國家都不能將天體的任何一部分“佔為己有”。

荷蘭萊頓大學太空法專家Dimitra Stefoudi說，今天的大多數國家都認為這並不會限制太空采掘。從2015年起，美國和盧森堡兩國已經訂立了允許太空采掘的國內法以鼓勵新興企業發展。（俄羅斯和比利時等國家則認為必須為太空采掘訂立一套新的國際框架。）不過Stefoudi說，1967年的條約還寫道，探索和利用外太空應為所有國家謀福利，因此各個公司需要找到方法來共享采掘月球資源的技術和最終獲得的收益。

到頭來，Mueller說，在月球上建立基地的願景很可能並不受限於技術，而是政治和經濟。“如果我們能解決這兩個問題，我絕對相信在月球上建立永久殖民會成為現實。”

原文以How to build a Moon base為標題

發布在2018年10月24日的《自然》新聞特寫。《知識分子》獲授權轉載。