建立一個月球基地有多難?
2019年09月20日11:23

  今年,德國科隆將舉辦有史以來規模最大的月球模擬體驗。

  在一個占地超過1000平方米的人造月球上,科學家連接到起重機和滑輪系統,來模擬月球的重力變化。

圖源:歐洲航天局
圖源:歐洲航天局

  當需要休息的時候,還可以進入休息區內,體驗在地球上生活的場景。

  這一月球模擬真正目的還是暴露了人類的“野心”——移民月球!

圖源:Maciej Rębisz 概念圖
圖源:Maciej Rębisz 概念圖

  自美國宇航員1969年登月以來,到目前為止,還沒有第二批人類登上過月球。

圖源:NASA
圖源:NASA

  之後造訪月球的基本都是冷冰冰的金屬探測器,與冰冷寂靜的宇宙倒是完美融合。

圖源:Maciej Rębisz 概念圖
圖源:Maciej Rębisz 概念圖

  而如果人類要移民月球,至少得在月球表面建立一個長期的定居基地,這樣才能保證基本的生存。

圖源:Maciej Rębisz 概念圖
圖源:Maciej Rębisz 概念圖

  不過月球可不比地球,在月球表面建立一個基地可太難了。

  首先要解決的問題是水源。

  從地球運輸淡水去月球,對於長期定居的月球基地顯然不太現實。

  而多年以來,在月球赤道收集的岩石樣本都表明了這個衛星是乾燥、不含水的。

美國宇航員從月球帶回的岩石樣本  圖源:美國國家地理
美國宇航員從月球帶回的岩石樣本 圖源:美國國家地理

  不過,隨著探索逐漸兩極化,探測器在月球的兩極發現了冰塊的存在,並且根據分析,每極可能含有100億噸的冰層。

圖源:NASA
圖源:NASA

  這似乎出現了一絲機會?

  可惜還是不夠。

  儘管發現了冰塊,對於冰層的厚度、冰層是與土壤混合還是單獨的存在,目前尚不可知。

  為瞭解決這些問題,印度Chandrayaan—2月球車和俄羅斯的LUNA27登陸器將於2022年登月探測。

俄羅斯Luna27登陸器
俄羅斯Luna27登陸器

  探測還是後話,現在還有一個更重要的工作需要進行,那就是採集冰塊。

  在月球上進行採集工作最大的困難就是能源,因為挖掘機器需要能量來工作。

  在太空環境中,一般是依賴於鈈電池這種同位素電池自然衰變來產生能量,不過這種電池費用昂貴,用於開採冰塊有點大材小用了。

  這樣看來,挖掘機器的能量好像只能從一個地方獲取了。

  那就是太陽系中最大的能量體——太陽。

  科學家從挪威南部Rjukan鎮借用了一種特殊的“引光”方法。

  Rjukan鎮因為地處山穀處,所以很難享受到陽光的沐浴。

  當地政府在小鎮旁的高山上建造了幾面巨大的反射鏡,將太陽光投射到穀底,讓小鎮上的人也可以生活在陽光之下。

  在月球上,已探明的冰層位於永久陰影的隕石坑中,這是太陽系中已知的天然最冷點。

月球南極冰層概念圖  圖源:NASA
月球南極冰層概念圖 圖源:NASA

  利用巨大的反射鏡,來自高峰的太陽光可以直接進入到隕石坑,在裡面通過日光的能量把冰塊融化。

圖源:nature
圖源:nature

  收集的液態水運到加工廠,一部分經過處理變成可飲用的水源。

加工廠概念圖  圖源:Maciej Rębisz
加工廠概念圖 圖源:Maciej Rębisz

  另一部分通過太陽能電力分解為氫氣和氧氣,然後這些氣體還可以儲存起來,用作火箭推進劑。

  水的問題解決了。

  下一個人類必需的生存條件——氧氣。

  雖然電解水可以得到些許氧氣,但是這不能作為主要的氧氣來源。

電解水實驗
電解水實驗

  那麼在月球上還有什麼辦法可以獲得氧氣呢?

  從月球上的土壤中,也就是Regolith(風化層)。

  風化層在月球表面隨處可見,其中含有二氧化矽和其他金屬氧化物。

  如果按照元素劃分,月球土壤含有43%的氧,21%的矽,13%的鐵,8%的鈣,6%的鋁,5%的鎂和4%的其他元素。

  也就是說,其中的含氧量非常高。

  那麼現在問題就在於要如何從土壤中製出氧氣呢?

  2010年美國NASA航天局在夏威夷群島進行了月球模擬實地測試,其中就包括了從土壤中製出氧氣。

圖源:Regolith
圖源:Regolith

  在夏威夷莫納克亞火山發現的特弗拉火山灰,是一種和月球表面土壤很相似的礦物。

  研究人員使用風化層進料系統,將火山灰倒入進料系統,通過進料系統簡單處理後,再輸送到反應堆。

  經過反應堆中甲烷的碳熱還原過程,把氧氣從土壤中分離出來,最後使用旋風分離器把廢料和氣體分離開。從而得到氧氣。

圖源:Regolith
圖源:Regolith

  不過這種方法尚未在低重力環境下實驗,但是這次模擬驗證了從月球土壤中獲取氧氣是可行的。

  而且從土壤中提取氧氣還有一個好處是在月球上任何一個地方都可以進行,這對於遠離兩極的科學研究有很大的幫助。

  有了水、氧氣,還需要什麼呢?

  “隊長!隊長,那邊下雨了,我們去哪躲雨啊?over!”

  “你跟我在這鬧呢?月球怎麼會下雨?”

  “隊長,你沒聽說過流星雨嗎!?”

  沒錯,因為月球沒有大氣層,偶爾下點“小隕石雨”也是家常便飯,所以在月球上定居還需要一個穩定的庇護所。

圖源:Regolith
圖源:Regolith

  根據月球表面的地形,在天然形成的洞穴、峽穀、或者隕石坑內,可以來建立庇護所,而建築材料也來源於風化層。

  科學家將月球表面的風化物樣本,在1100℃的高溫下將它們結合在一起,形成了不規則的磚塊。

  來自維也納的建築公司Bollinger Grohmann Schneider和Liquifer Systems Group在去年4月份展示了用磚塊製作的拱門和圓頂。

  但是材料的強度還不到混凝土的五分之一,製作一塊磚塊的時間也需要花費五個小時之久,遠遠達不到建築的要求。

  當然除了水、氧氣、庇護所這些問題之外,宇宙射線、輻射、長期定居需要的食物、建立月球外部環境監測網等問題也是不容忽視的。

  不過上述這些問題都能利用科學技術克服,建立月球基地最大的困難還是世界各國對於在月球建立基地目前沒有統一的意見和相關的政策支援。

  所以任何一個國家都不會允許某個國家單獨在月球上建立營地。

  那太可怕了。

  本文參考資料來源於:

  Fischer HR。 In-situ resource utilization–feasibility of the use of lunar soil to create structures on the moon via sintering based additive manufacturing technology。 Aeron Aero Open Access J。 2018;2(4):243-248。

  中科院物理所

  NASA——Performance of Regolith Feed Systems for Analog Field Tests of In-Situ Resource Utilization Oxygen Production Plants in Mauna Kea, Hawaii

  Nature——How to build a Moon base

  NASA——The Moon and Mercury May Have Thick Ice Deposits

  PNAS——Direct evidence of surface exposed water ice in the lunar polar regions

  圖片來源於:

  Maciej Rębisz、NASA、bing圖片、美國國家地理、nature、Regolith

  來源:趣科普(ID:qukepu)丨作者:小菌

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