人类建造月球基地究竟有多难?

来源:新浪科技发布时间:2019-02-18

首先得能活下来。

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(Elon Musk)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、MT Aerospace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。

人类建造月球基地究竟有多难?

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。

人类建造月球基地究竟有多难?

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。

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