人类建立月球基地,需要做哪些准备?

人类建立月球基地,需要做哪些准备?

导语:全球研究人员纷纷开始推进建设月球基地的计划。

今年,宇航员Matthias Maurer就准备在月球表面行走了——但是他不需要费力坐上火箭,经受零重力带来的反胃,再冒着风险着陆。他只需要从德国科隆的家出发,走过一片落满树叶的草坪,那里会建起迄今为止最大规模的月球模拟工事。


Mauer和其他科学家会在一个占地1000平方米的人工月尘坑里,绑上一套吊装设备,以体验月球低重力下的跳跃;也会在调光灯下工作以模拟月球上不同位置的光照。有时候,他们还会回到月球样式的居住区:一个集装箱大小、用气闸连接的模块。


插图:Maciej Rębisz


Mauer说,这是一个令人激动的月球技术测试沙坑。这座月球模拟工事被称为LUNA,正在科隆的欧洲宇航员中心外渐渐显露雏形。它造价达数百万欧元,资金来源包括欧洲空间局(ESA)和德国航空太空中心(DLR)。但是48岁的项目经理Mauer不知道自己还能不能把锻炼出来的技术用在“真货”上。“希望我能在退休之前上去一次。理论上说,我相信我还是可能在月球上走一次的。”他说。


Mauer的乐观并非毫无根据。上一次有人登陆月球的时候他还只有两岁:那是NASA的最后一次阿波罗计划,登月的是美国宇航员Eugene Cernan。在那之后,就没有任何一个航天机构出钱再送人上去了。但是,由于政治策略改变等原因,人类重返月球的势头正在上涨。和再来一次阿波罗计划相比,航天机构逐渐倾向于建立一个可持续性的殖民地。


正在建设中的科隆LUNA的艺术想象图,图中显示了它的人工表岩屑和可调控的灯光。来源:欧洲宇航员中心/ESA


研究人员对这个在月球上建立基地的想法充满期待:月球基地上可以开展实验,并为登陆火星提供技术测试场。至于私人公司,则越来越被从月球冰中采掘氧气和氢气作为火箭燃料的可能性所诱惑。如果这能成功,月球就会成为一个加油站,大幅降低空间旅行的成本。


“水就是太空中的油,并且有着充足的证据表明月球上存在具有经济开发价值的水矿脉。”美国科罗拉多矿业学院的航空科学家George Sowers说。他曾在一家为美国政府提供发射服务的公司联合发射联盟(United Launch Alliance)任首席科学家。


航天机构一般不太愿意预告月球驻人基地的时间线,有一部分原因在于这个目标远超他们的预算周期,另一部分原因则是他们需要各种企业来为各个阶段提供资金。不过,ESA主席Jan Wörner在近几年里一直在说,若干国家和企业计划合作建立半永久性月球基地,他称之为“月球村”。中国官方媒体也曾引用国家航天局说建立月球基地是其目标之一,不过没有宣布时间线。


设计: Jasiek Krzysztofiak


17年12月,月球探索的前景变得明亮起来。当时美国签署了一份总统令,要求NASA将愿景从探索小行星转到将人送回月球。NASA在那之后请了若干企业开发着陆器技术,并准备好了在接下来五年内为支持月球探索的新项目申到数十亿美元的计划,最终目标是让人类重返月球。“这基本是个急转弯。”Sowers说。


去年10月,空中客车公司(Airbus)发起了 “月球竞逐”(Moon Race)比赛,赞助者包括了ESA和美国航天公司蓝色起源。这项比赛承诺向为月球的可持续性开发提供关键技术的公司提供资助。


在接下来的几年里,登月项目只局限于机器人:中国和印度会在接下来的3个月里发射探测器,俄罗斯也计划在接下来的5年里发射探测器。但是NASA、ESA,以及俄罗斯、日本和加拿大的航天机构都支持在21世纪20年代中期于环月轨道上建立一个空间站的计划。(美国总统特朗普在2019年的预算申请里提出,NASA在接下来的5年里可以为这个项目花费27亿美元。)


环月空间站会成为一个基地,由此可以通过加压的探测车在月球表面进行一些几周长的短期旅行——Maurer把它叫做“房车解决方案”。最后,就可以建立殖民地了。“我觉得20年后建立起某种月面建筑是比较现实的,要么是供人类居住的,要么是由人类维护的。”ESA的人类与机器人探索战略官员James Carpenter说。


研究人员研究如何采掘月面资源已经有很长时间了,但更多的只是一种希望而不是实际计划。现在,他们开始了月球殖民技术的研究,并诚心期待着这些工作能成为现实。当Mauer和其他人在ESA的LUNA中心练习如何在月球表面居住和采掘时,其他人则在研究如何种植粮食,如何建造防辐射的房屋。


去年7月,ESA在欧洲空间研究与技术中心举行了一场筹备未来人类登月计划的会议, 250多名来自学术界、矿业、冶金业、建筑业和设计业的专家人士在会上发表了意见看法。“要是五年前开这场会,可能就只有一小撮人参加,”欧洲宇航员中心的科学顾问Aidan Cowley说,“人们的兴趣确实大大增加了。”虽然月球基地还不一定真的会出现,但是地球人着实已经开始为它做准备了。


来源:NASA;设计:Jasiek Krzysztofiak


采掘水矿

月球殖民者的第一个挑战就是采掘水。阿波罗计划从月球赤道上收集了一些样本,样本显示我们的卫星是一个干燥的不毛之地。因此,十年前发现月球极地有一块一块的冰“改变了一切”,NASA肯尼迪航天中心的高级技术员Robert Mueller说。他负责开发月球采掘技术。


现在,研究人员还不清楚冰具体在哪里,有多厚,是和土壤混在一起还是层层叠加的。预计明年发射的印度月船2号探测器(Chandrayaan-2 rover)和预计2022年发射的俄罗斯LUNA27号着陆器将着力回答这些问题。俄罗斯的着陆器会携带ESA设计的2米长的钻头,以及一套实验设备来研究月球水的来源和丰度。


NASA也看上了月球水,因此已经委托几家公司开发可以携带采掘设备的月球探测器,最早明年就开始动工。Sowers说,一个四人居住的人类基地所需要的水可以忽略不计——可能每年十几吨吧。月球上的水足够多,“根据目前的数据估计,可能两极各有100亿吨。”


大部分的冰都会被采掘出来用作燃料。根据Sowers的计算,矿业公司每年只需要采掘1000吨左右的水,并将其电解成为氢和氧用作燃料就可以获利。月球的低重力意味着从月球给长距离太空旅行提供补给比在地球补给更便宜。以一次往返月球的任务为例,如果在月球上加一次燃料,那么成本就只是在地球上加满燃料往返的五十分之一。


插图:Maciej Rębisz;设计:Jasiek Krzysztofiak


去年8月,科学家根据印度月船1号的数据,发现月球的冰是在月球表面上的——但是只在永远处于阴影中的月球坑里有。这些-249°C的月球坑是太阳系中自然形成的最冷的地方。挖掘器械需要热量和能量才能采出这些水并将其转换成燃料。因为基于自然衰变产热的钚基电池对私营公司来说太贵了,所以月球采掘可能必须要利用太阳的能量。


挪威南部一座名为Rjukan的小镇将为此提供灵感。2013年,人们在一座山上架设了一面巨型镜子,俯瞰小镇,于冬天又阴又冷的中央广场照出一块明媚之地。Sower说月球冰的采掘者希望能在月球上效仿此举,高山上的阳光可以直接折到坑里,用来加热冰并将其转化成蒸汽。然后,冷凝水就被转移到处理厂中,借助太阳能分解成氢气和氧气。这些气体会被储存起来,用作燃料或是放到燃料电池里供能。


插图:Maciej Rębisz;设计:Jasiek Krzysztofiak


另一种做法是,探测车可以铲起带冰的土壤,并放到炉子里加热来释放水。炉子可以无线供能:将高能激光照到探测车的光伏电池上。LUNA可以测试这在现实中是否可行。ESA的Leopold Summerer说,现实中会有额外的难点,例如月球大气中的尘埃会散射激光。Maurer说,LUNA的科学家还会爬进模拟的月球坑里,看看在这些又黑又深的坑里探索难度如何。


靠土吃土

如果无法获得冰,那么月球上还有另一种水源:月球土壤,又称表岩屑。表岩屑里包含了硅和金属氧化物——平均来说包含43%质量分数的氧,月球上到处都有。从土壤里提取的氧可以为远离极地、具有科学或经济价值的基地提供能量,并产生有用的副产物,如稀有金属。


插图:Maciej Rębisz;设计:Jasiek Krzysztofiak;数据来源:H. R. Fischer Aeronaut. Aerosp. Open Access J. 2, 243–248 (2018)


表岩屑并不会轻易献出它的“财富”。将氧从化学键中释放比加热冰更耗能。理论上说,反应器可以使用大型镜子将太阳光折射到一个比信封稍大一点点的炉子上,将月球尘加热到超过900 °C,直到它发亮为止。在这一温度下,从地球带上去的氢气或碳可以把氧从矿物中剥离出来,并和氢元素结合形成水。


2010年在夏威夷使用模拟月球表岩屑进行的实地测试证明了这一操作是可行的——但是并没有测试低重力和真空的环境。“这基本上是证实可行的技术,几年内就可以准备就绪了。”Mueller说。


研究人员希望能够再改进一下这项技术,减少必须从地球带上去的东西。在意大利米兰理工大学,一个由航天工程师Michèle Lavagna领导的团队正在开发一个能在低温下工作的原型机,它可以循环利用一切输入物质,在本例中也就是甲烷和氢气,这样就只需要消耗土壤了。


现在,一套设备需要花几十年时间才能产生足够把阿波罗号类型的登陆器送进轨道上的水。但是Lavagna说,在月球上可以同时运行多个反应器。她的团队已经从ESA获得了69.2万美元的资金,现在正在制作一个小到可以带上太空的演示机。


英国冶金公司Metalysis则试图不采用化学反应,而是通过向熔盐浴通电来从固体金属矿中脱氧。Metalysis公司率先采用的这项技术可以为航天工业提供高质量合金,未来还可能为月球上用的机器提供高纯度的金属。


栖居之地

Maurer表示,如果采掘水无利可图,那么仍然会建造一个用于科学实验的基地。“即使没有商业上的愿景,也只是会慢一点成型而已,”他说,“我们可能会变成和南极科考类似的情况——完全出于科学兴趣而为。”


美国西南研究院的行星科学家Robin Canup说,研究人员对于重返月球后可以做的实验充满期待。对古老的月球坑采样可以揭示出地月系统是如何形成的,当时早期太阳系仍然处于不稳定的状态,小行星一直在撞击月球。研究人员还希望能够研究月球的水循环和地震学,并且希望装设一个可以免受地球干扰的射电望远镜,用以研究早期宇宙的辐射。


但是和南极不同的是,月球居民的房子必须能抵御带电粒子辐射和宇宙中降下的小型陨石——因为月球几乎没有大气和磁场的防护。第一批简易房很可能要从地球带上去,但是需要用几米厚的沙子或表岩屑覆盖起来,Maurer说。


插图:Maciej Rębisz;设计:Jasiek Krzysztofiak


解决方法之一是利用大自然:利用悬崖、峡谷、山洞和熔岩洞(古代火山活动所产生的隧道)来保护居住区。前年,科学家们重新分析了日本航天机构的“辉夜号”轨道太空船所获得的雷达数据,以及NASA的“圣杯号”所提供的密度测量,并在月球正面马利厄斯丘陵下发现了一条候选隧道,看起来长达数千米。在地球上,研究人员已经在西班牙加那利群岛的兰萨罗特岛熔岩洞里,练习好了如何操控探测车,为未来的月球探索做准备。


探测车的原型机正在西班牙加那利群岛试运行。来源:Robbie Shone/ESA


在距离LUNA几百米的德国航空航天中心(DLR)实验室里,Matthias Sperl正在测试另一个点子——利用表岩屑培养人工石。在Sperl的实验室里,一束强光聚焦到了硬币大小的光板上,产生高达1100°C的温度来熔合数层粉末。经过一段时间之后,这些粉末层就长成了深黑色的粒质砖块,这和3D打印是一样的。


Sperl说在月球上,可以通过聚焦阳光达到同样的效果。他的项目属于RegoLight的一部分,RegoLight是DLR、比利时航天公司SAS和其它建筑工程公司合作的一个100万欧元的项目。Sperl说,这些层状物结合得不是很完美,但是这样得到砖块已经有混凝土五分之一的强度,并可以和石膏相媲美了。


Regolight项目使用强光,将月球表岩屑(图中)熔合成石膏状的砖块(图右,30分钟制成)。也可以做出更大的砖块(图左,3小时制成),但是结合得就没那么好了。来源:DLR


维也纳的建筑公司Bollinger Grohmann Schneider和Liquifer Systems Group于四月宣布,他们可以将砖块组合成拱形或穹顶来造出稳定的建筑。Sperl说它们坚固到足以经受住月球上的地震,并且在上面放更多防护性的砾石也能承受得住。他说目前这种工艺需要花费5小时来制作一块砖——但是聚焦更多的阳光就可以加速这一过程。其他科学家则在探索使用微波炉熔合表岩屑,或是利用从地球带上去的聚合物等材料结合表岩屑来造房子的可能性。


甘蓝充饥

植物科学家也花了很长时间来思考一个可以自给自足的月球基地所需的最后一项要素:食物。作为封闭生态系统的一部分,植物可以循环利用有机废物,并将二氧化碳转化为可呼吸的氧气。去年五月,中国官方媒体报导,志愿者已经在“月宫1号”模拟基地的封闭生态系统里破纪录地居住了370天。他们在里面种植作物,并通过养黄粉虫来获取蛋白质。


国际空间站(ISS)的宇航员已经在吃太空种植的生菜和其它绿叶蔬菜了。NASA在肯尼迪航天中心有一个被称为“蔬菜”(Veggie)的项目,用来选择能够在密闭空间里生长良好,且包含了在存储中最易降解的营养素(维生素C1、K和钾)的作物。最终优胜者是甘蓝。“它在各个方面都超群出众。”“蔬菜”项目经理Trent Smith说。


在月球上,宇航员将会在水里种植作物。他们会使用白色和红色的LED光,通过调节光照来改变植物的矿物质和维生素成分。今年,国际空间站就会做实验验证西红柿的成分会如何受光照影响。


此外,还需要进一步的实验来确认在表岩屑的金属组分中最好应当如何种植作物。“我们希望知道该如何从基本是太空尘埃的物质当中构造出活性土壤。”Smith说。“蔬菜”项目的研究员Matthew Romeyn补充表示,如果表岩屑中能长出植物, “那就意味着我们可以在叶菜之外带小型水果树上去了。”


插图:Maciej Rębisz;设计:Jasiek Krzysztofiak


“如果人类受制于月面上的危险环境而只能短期居住,又不能在当地培育食物的话,整个项目就会崩盘。”Mueller说。除此之外,法律上也可能会有阻碍:所有太空探索大国都签署了1967年的《外层空间条约》,其中规定任何国家都不能将天体的任何一部分“占为己有”。


荷兰莱顿大学太空法专家Dimitra Stefoudi说,今天的大多数国家都认为这并不会限制太空采掘。从2015年起,美国和卢森堡两国已经订立了允许太空采掘的国内法以鼓励新兴企业发展。(俄罗斯和比利时等国家则认为必须为太空采掘订立一套新的国际框架。)不过Stefoudi说,1967年的条约还写道,探索和利用外太空应为所有国家谋福利,因此各个公司需要找到方法来共享采掘月球资源的技术和最终获得的收益。


到头来,Mueller说,在月球上建立基地的愿景很可能并不受限于技术,而是政治和经济。“如果我们能解决这两个问题,我绝对相信在月球上建立永久殖民会成为现实。”

Nature|doi:10.1038/d41586-018-07107-4

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原文发布在2018年10月24日的《自然》新闻特写上,作者:Elizabeth Gibney


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编辑于 2019-01-09

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