月球基地競賽

編譯 李威

“這是個人的一小步，人類的一大步?！?969年7月20日，尼爾 ? 阿姆斯特朗（Neil Armstrong）成為第一個踏上月球的人類時說出了這句名言。自那之后，美國的阿波羅計劃還送了5次宇航員去月球。1972年12月，尤金 ? 塞爾南（Gene Cernan）和哈里森 ? 施密特（Harrison Schmitt）成了目前而言最后一批登上月球的人類。從那時算起，人類已經(jīng)50多年沒去過月球了。

這幾十年里，人類對重返月球的載人航天任務(wù)興趣寥寥，更別提什么資金支持了。不過，我們現(xiàn)在進入了一個月球探索的新時代。美國宇航局的阿爾忒彌斯項目計劃在2025年送宇航員上月球。其他國家的許多航天機構(gòu)和私人航天公司也對探索月球野心勃勃，他們?yōu)榱耸占虑蛐畔⒍O(shè)計、建造的探測器要么現(xiàn)在就在奔赴月球的路上，要么計劃在未來幾年內(nèi)發(fā)射升空。

美國宇航局的目標是在月球上建立一個類似地球南極科考站的半永久性基地。歐洲空間局、中國和俄羅斯也宣布有興趣建立月球研究前哨站?！霸虑蛉匀挥泻芏嘈畔]有告訴我們。通過這些信息，我們可以更深入地了解太陽系的早期演化和太陽系在更廣闊宇宙中的位置?！眰惗卮髮W(xué)伯克貝克分校行星科學(xué)和天體生物學(xué)教授伊恩 ? 克勞福德（Ian Crowford）解釋說。他認為，要想獲取完整的月球地質(zhì)記錄，人類有必要在月球上長期甚至永久生活。

此外，月球現(xiàn)在越來越多地被視作前沿空間技術(shù)試驗場。如果一切順利，那些在月球上試驗成功的技術(shù)最終能帶領(lǐng)人類奔赴火星乃至更遙遠的宇宙角落。對此，克勞福德說：“月球是我們學(xué)習(xí)如何在地球之外建造科考站的起點?！?/p>

僅限手提行李

保證宇航員（以及他們的裝備）在月球上安全度過更長時間，將會是一項天文學(xué)壯舉。目前，人類在月球上停留的最長時間紀錄是3個地球日。月球溫度變化巨大、輻射水平高、大氣極度稀薄，還有從不止歇的微隕石撞擊和數(shù)不清具有強磨蝕作用的塵埃，對人類來說環(huán)境極其惡劣。

最關(guān)鍵的是，將物資運送到月球的高昂成本使得克服上述月球環(huán)境問題成了更加復(fù)雜的任務(wù)。英國開放大學(xué)（位于米爾頓凱恩斯）主攻行星科學(xué)、行星探索的教授馬赫什 ? 阿南德（Mahesh Anand）說：“從地球發(fā)射到月球的每千克物質(zhì)運輸成本大約是100萬美元。”因此，要想建造月球基地，就必須就地利用月球自然資源以盡可能減少從地球運輸過去的貨物總量。

探測器發(fā)現(xiàn)，這片模模糊糊的碎片羽流含有水

乍一看，建造基本自給自足的月球基地的想法似乎是天方夜譚，畢竟，月球表面看上去就是一片無比貧瘠的荒蕪之地。然而，外表會騙人。第一批支持建造永久月球基地的證據(jù)出現(xiàn)于2008年和2009年，兩項獨立的任務(wù)在月球上分別發(fā)現(xiàn)了有水存在的強力證據(jù)。先是印度的月船1號任務(wù)發(fā)現(xiàn)了遍布月球表面的一層非常薄的水的痕跡。接著，美國宇航局的月球隕石坑觀測與傳感衛(wèi)星（LCROSS）撞擊了月球南極附近一個永久性陰影區(qū)域內(nèi)的一處隕石坑，之后便在撞擊產(chǎn)生的碎片羽流中發(fā)現(xiàn)了水的痕跡。

LCROSS撞擊的那個隕石坑溫度大約是-200℃，因此，我們希望那里含有水冰。如果事實確實如此，那這種資源就是高度可利用的?？藙诟５抡f：“我們已經(jīng)找到了那里有水的強力間接證據(jù)，但能夠證明這些永遠曬不到太陽的隕石坑中真的存在大量水的絕對證據(jù)仍有待發(fā)掘?！?/p>

不過，雖然月球兩極的水冰的確是最容易提供大量水的供應(yīng)源，但遍布整個月球表面的那薄薄的一層水同樣有希望為我們所用。2020年，中國國家航天局發(fā)射的嫦娥五號探測器收集了月球風(fēng)化層樣本并帶回地球。在對樣本的后續(xù)分析中，研究人員發(fā)現(xiàn)了月球表層水的最新證據(jù)。

月球風(fēng)化層是月球表面具有磨蝕作用的土壤和松散巖石組成的混合物。它們是數(shù)十億年來隕石不斷撞擊月球殼層的產(chǎn)物。阿南德是分析嫦娥五號月球風(fēng)化層樣本的中英聯(lián)合研究團隊的成員。2023年3月，這些科學(xué)家報告稱，他們發(fā)現(xiàn)散落于整個風(fēng)化層的微小玻璃珠結(jié)構(gòu)內(nèi)蘊藏著水。據(jù)此，他們提出：太陽風(fēng)中的高能質(zhì)子撞擊玻璃珠時，同后者內(nèi)部的氧發(fā)生反應(yīng)，形成了水。

加熱風(fēng)化層——使用傳統(tǒng)加熱方式或微波加熱即可——就可以釋放這些玻璃珠“囚禁”的水資源，讓它們以水蒸氣的形式釋放出來。接著，我們便可以收集這些水蒸氣，進而冷凝成液態(tài)水。

輕松呼吸

水不僅可以供未來月球移民飲用、種植食物，還可以用于建設(shè)基地和輻射保護。我們早就知道水可以屏蔽輻射，且地球上的部分放射性物質(zhì)就儲存在水下。不過，在月球上，水的最大功能很可能是供人類呼吸用的氧氣來源以及火箭燃料中的氧化劑。

多年以來，國際空間站內(nèi)的宇航員一直在呼吸電解水產(chǎn)生的氧氣

阿南德說：“你可以把水電解成氫氣和氧氣?！彪娊馐且环N行之有效的將水分解成其組成元素的成熟方法。無論是在地球上，還是在國際空間站內(nèi)，電解水的方法都已經(jīng)使用了幾十年——在國際空間站內(nèi)，宇航員呼吸的氧氣主要就是電解水產(chǎn)生的。

在月球上，氧的另一個來源是風(fēng)化層內(nèi)的硅酸鹽、氧化物和其他含氧礦物。美國宇航局約翰遜航天中心（位于美國休斯敦）就地取用資源系統(tǒng)能力團隊負責(zé)人杰瑞 ? 桑德斯（Jerry Sanders）解釋說：“從重量角度上說，月球風(fēng)化層的42%~45%都是各種形式的氧化物。”

為實現(xiàn)這一目標而采用的主要技術(shù)是20世紀90年代末英國劍橋大學(xué)發(fā)明的弗雷-法辛-陳（FFC）電解工藝?？偛课挥谟_瑟勒姆的分拆公司元分解（Metalysis）將這個電化學(xué)過程商業(yè)化，并設(shè)計制造了各種大小的反應(yīng)器，它們能夠以金屬氧化物為原料產(chǎn)生相應(yīng)的金屬粉末。其中最大的反應(yīng)器目前每年可以產(chǎn)生幾噸金屬粉末。

元分解公司的弗雷-法辛-陳（FFC）電解過程可以將金屬氧化物——比如月球巖石——變成金屬粉末

FFC過程的副產(chǎn)物是二氧化碳和一氧化碳。元分解公司首席科學(xué)家兼總經(jīng)理伊安 ? 梅勒（Ian Mellor）解釋說：“陰極是金屬氧化物，陽極是碳或者說石墨，電解質(zhì)則是氧化鈣。當(dāng)我們在陰陽兩個電極之間施加電壓時，氧氣就會從陰極處釋放出來，通過電解質(zhì)遷移，與陽極處的碳結(jié)合后，以二氧化碳或一氧化碳的形式排出?！?/p>

為了能在月球上應(yīng)用這個制氧方法，元分解公司正在開發(fā)一種惰性陽極，轉(zhuǎn)而在陽極處釋放氧氣。梅勒表示：“這項技術(shù)能夠從大約50種元素的氧化物中分離出氧。”泰利斯 ? 阿萊尼亞航空航天公司在哈韋爾的基地目前正在開發(fā)一種能夠?qū)⑿⌒椭蒲踉囼炑b置送往月球的登陸器。歐洲空間局資助、與元分解公司共同研發(fā)的這款登陸器，將在全程沒有人類干預(yù)的情況下，完成從收集月表風(fēng)化層到儲存氧氣直至使用的整個過程。

不浪費就不會缺

人們對在月球上利用元分解公司產(chǎn)氧電解技術(shù)產(chǎn)生的金屬粉末副產(chǎn)物的興趣與日俱增。這些金屬粉末有成為3D打印建筑材料的潛力——實際上，3D打?。ㄔ霾闹圃欤┚褪窃纸夤驹诘厍蛏仙a(chǎn)的金屬粉末的主要用途之一。

與地球一樣，月球不同區(qū)域的礦物組成不同。因此，要想利用月球風(fēng)化層產(chǎn)生的金屬能源，面臨的一大挑戰(zhàn)就是控制風(fēng)化層成分的變化。月球風(fēng)化層主要有兩種形式，從地球看過去，一種風(fēng)化層呈灰色，另一種呈黑色，兩者迥然不同。大部分灰色地帶是富含鋁、鈣和硅的斜長巖。黑色地區(qū)則多由玄武巖構(gòu)成，其中包括鈦鐵礦。

為了獲取這些礦物中的金屬，我們正在開發(fā)的技術(shù)不僅僅是電解。美國宇航局正在嘗試利用幾種地球方法從這些物質(zhì)中剝離出金屬。桑德斯解釋說，能夠從鈦鐵礦中提取出鐵和鈦的磁選分離等技術(shù)尤為吸引人。

阿南德實驗室這段時間開發(fā)的另一種技術(shù)是利用微波濃縮月球風(fēng)化層中的金屬。阿南德團隊已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用微波加熱月球風(fēng)化層模擬物時，鐵和其他一些元素可以從礦物中逃逸出來。阿南德解釋說：“（金屬）原本被鎖定在硅酸鹽礦物中，但當(dāng)我們用微波加熱它們時，鐵就從硅酸鹽結(jié)構(gòu)中跑了出來，聚在一起，形成一個大大的金屬團。最關(guān)鍵的是，這些純金屬團塊用現(xiàn)有的技術(shù)就可以做提純處理?！?/p>

家外之家

月球工地上需要的還不只是金屬。除了提取金屬，未經(jīng)處理的原始月球風(fēng)化層還有許多潛在應(yīng)用，各國空間機構(gòu)和各類商業(yè)公司都在競相開發(fā)能夠利用這種材料作建筑開發(fā)的工具。美國宇航局馬歇爾空間飛行中心（位于美國亨茨維爾）科學(xué)技術(shù)辦公室副主任柯奇 ? 克林頓（Corky Clinton）解釋說：“和你在地球建筑工地上看到的一樣，在你嘗試建造各類工程結(jié)構(gòu)室時，有多種你可以想象在月球上能發(fā)揮同等作用的工具和硬件設(shè)備?！?/p>

我們可以用原始月球風(fēng)化層建造能夠保證屏蔽輻射和微隕石撞擊的棲息地。月球風(fēng)化層還能起到保溫的作用，阻止棲息地內(nèi)的熱能向外耗散。原始月球風(fēng)化層正在開發(fā)的另一項用途是制造帶屏障的著陸平臺，用以保護平臺背后的各類基礎(chǔ)設(shè)施，原理就和機場中使用的噴射氣流偏轉(zhuǎn)裝置類似。運送補給的火箭會定期往返于月球基地與地球之間。歐洲空間局歐洲宇航員中心（位于德國科隆）科學(xué)顧問艾登 ? 考利（Aidan Cowley）說：“火箭在月球上著陸時，發(fā)動機尾焰會噴射出大量氣體，進而激起大量風(fēng)化層。這個過程其實相當(dāng)危險，因為這些尖銳的塵粒會像沙塵暴一樣沖擊周圍的一切。”

以風(fēng)化層為原材料生產(chǎn)磚塊，然后再命令機器人用這些磚塊建造房屋，就是我們現(xiàn)在正在探索的一種在月球上建造各種設(shè)施的方法?？祭忉屨f：“我們開玩笑說，理論上可以是宇航員拿著磚塊在月球上造東西，但現(xiàn)實情況很可能是自動化機器系統(tǒng)在大量人類的監(jiān)督下執(zhí)行這項任務(wù)。換句話說，宇航員要扮演的是包工頭的角色?！?/p>

從更長期的角度上看，我們希望能消除月球工地對人類包工頭的需要?？肆诸D說：“隨著我們進一步建設(shè)更大、更復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施，我們肯定希望它們能長期連續(xù)不斷地工作?！睘榱藢崿F(xiàn)這點，現(xiàn)在的計劃是使用更多地球上遠程操控的更自動化的操作系統(tǒng)。

目前正在探索的生產(chǎn)“月球風(fēng)化磚”的各種技術(shù)本質(zhì)上都是地球上使用的相關(guān)技術(shù)的變種。最簡單的方法就是收集風(fēng)化層后壓實，然后再燒結(jié)。整個過程可以在類似烤箱的設(shè)備中完成，通過聚焦太陽光或者使用微波技術(shù)、激光技術(shù)加熱。

另外，我們現(xiàn)在還在研究提升磚黏合程度的方法，比如篩出特定尺寸的材料、使用相關(guān)聚合物或黏合劑等。美國宇航局正在開發(fā)一種可以將風(fēng)化磚黏合在一起的砂漿，作為波特蘭水泥更環(huán)保的替代品。據(jù)估計，在地球上，在生產(chǎn)波特蘭水泥過程中排放的二氧化碳量達到了每年全球二氧化碳排放量的大約8%。桑德斯說：“我們正在尋找可以在月球上使用的其他水泥。要是成功了，反過來也可以給地球水泥的生產(chǎn)提供另一個選項?！边@種想法早有先例：已經(jīng)有成百上千項原本為空間任務(wù)開發(fā)的技術(shù)在地球上找到了積極的用途，比如家庭隔熱材料、記憶泡沫和嬰兒配方奶粉。

另一種生產(chǎn)月球風(fēng)化磚的方法是3D打印。與填充模具等傳統(tǒng)方法相比，增材制造過程中的浪費更少?？祭硎荆骸吧碓谠虑颍銜氡M可能地高效。我們的想法是一層一層地把風(fēng)化磚砌起來，邊砌邊燒結(jié)，同時用聚焦的太陽光或激光把風(fēng)化磚黏合在一起?！蔽唇?jīng)處理的風(fēng)化層粉末可以利用激光粉末床融合技術(shù)（在地球上，這項技術(shù)常用于3D打印金屬物體）直接打印?；蛘?，我們可以先把原始風(fēng)化層融化并擠壓成細絲，然后再使用熔融沉積建模（FDM）3D打印機。

美國宇航局還與總部位于得克薩斯的一家建筑公司艾肯（ICON）合作，共同開發(fā)能一次打印整個結(jié)構(gòu)（而不是一塊一塊磚地分次打?。┑某笮?D打印機。艾肯最出名的產(chǎn)品是3D打印混凝土房屋，現(xiàn)在，這家公司正在調(diào)整相關(guān)技術(shù)，旨在僅使用月球上就可獲取的物質(zhì)在月球表面打印基礎(chǔ)設(shè)施。

給我充能

說到月球上的供能問題，太陽能是最容易想到的起點。問題在于，如何圍繞月球繞地球公轉(zhuǎn)的周期（28個地球日）在長時間的黑暗期保證電能供應(yīng)不間斷。

這個棘手的問題正是我們選擇月球南極作為第一座月球基地建設(shè)位置的原因之一。另外兩個原因分別是：我們可能在月球南極找到水冰；相較阿波羅計劃靠近赤道的著陸地點，月球南極的溫度變化沒有那么極端。克勞福德解釋說：“月球兩極附近的部分山頂幾乎永遠沐浴在陽光中，且它們距離永遠曬不到太陽、可能擁有水冰的區(qū)域只有幾千米之遙。因此，建在月球南極附近的基地既靠近永遠曬不到太陽、可能有水的區(qū)域，又靠近幾乎永遠沐浴在陽光中的區(qū)域。至于為什么選擇南極，而不是北極，那是出于科學(xué)考慮：從地質(zhì)角度上說，月球南極比北極更有意思。”

阿爾忒彌斯任務(wù)是計劃在不遠的將來重返月球的諸多項目之一

以氦-3為燃料的核聚變反應(yīng)堆則是可以給月球基地供能的第二種潛在能量來源。在長達數(shù)十億年的月球歷史長河中，太陽風(fēng)把大量氦-3嵌入了月球風(fēng)化層?？藙诟５抡f：“我們在研究阿波羅任務(wù)帶回地球的樣本時知曉了這一點。不過，月球風(fēng)化層中氦-3的含量大概只有十億分之幾?！边@個構(gòu)想是否可行取決于需要加工處理多少月球風(fēng)化層才能獲取足夠核反應(yīng)堆使用的氦-3——以及這么做在經(jīng)濟上是否可行。

當(dāng)然，月球上還有其他可用的潛在能量來源，但也很可能含量極少。除了水的跡象之外，美國宇航局LCROSS任務(wù)還在撞擊的月球隕石坑內(nèi)發(fā)現(xiàn)了存在甲烷、氨、二氧化碳、一氧化碳、氫等揮發(fā)物的證據(jù)。桑德斯說：“那里竟然還有含碳化合物，這非常有意思，因為我們知道月球其他區(qū)域的碳含量極少。當(dāng)然，最關(guān)鍵的還是含量問題。不過，如果你已經(jīng)有了碳的來源和氫的來源，本質(zhì)上就有了石化工業(yè)的基礎(chǔ)，就可以開始考慮生產(chǎn)塑料、黏合劑、聚合物以及其他可以支持就地取材建造、施工的東西。”

有志必成

阿爾忒彌斯項目和未來數(shù)年內(nèi)抵達月球的諸多登陸器任務(wù)應(yīng)該能回答目前許多懸而未決的重要問題，例如：月球上究竟有哪些我們可以直接利用的資源？如何提取它們？月球基地計劃到底是否可行？如果可行，基地應(yīng)該建成什么樣子？

能夠從月球上帶回樣本的任務(wù)尤為重要。我們目前在研發(fā)、測試所有相關(guān)技術(shù)時使用的都是月球風(fēng)化層模擬物，但這種材料都是根據(jù)對月球南極附近風(fēng)化層實際構(gòu)成的猜測（當(dāng)然是有根據(jù)的猜測）生產(chǎn)制造的。迄今為止，我們還從來沒有把那個區(qū)域的月球樣本帶回過地球。克林頓解釋說：“這就有風(fēng)險了。如果我們制造的模擬物與未來在月球上找到的風(fēng)化層并不完全一樣，那么相關(guān)過程難免會受到影響?！倍臃祷厝蝿?wù)可以讓正在開發(fā)的技術(shù)使用真正的月球風(fēng)化層，并通過相關(guān)分析配置資源，在試驗工廠抵達月球前就制造出精準再現(xiàn)月球風(fēng)化層構(gòu)成的模擬物。

美國宇航局計劃在2030年前后建成第一座月球基地并投入運行?？藙诟５抡J為，這一目標是否能夠?qū)崿F(xiàn)，完全取決于美國宇航局為讓宇航員重返月球而選定的太空探索公司星艦登陸器能否成功。他說：“就能運送到月球表面的有效載荷來說，太空探索公司研發(fā)的這種運輸工具能力極強?！毙桥灥顷懫鼾嫶蟮呢泜}可以先行將試驗工廠送往月球，并立刻開始著手驗證就地取用月球風(fēng)化層建造各類設(shè)施、提取水或金屬的難易程度?？藙诟５逻€補充說：“如果太空探索公司的星艦登陸器真能像宣傳的那樣工作，那它的性能可以說是極為強大了。”