建設(shè)月球基地，要解決哪些難題？

要在月球上建立長期基地，就要確保航天員能夠安全地在基地內(nèi)生活、工作，還要考慮長期可持續(xù)性，這就涉及到很多現(xiàn)實(shí)問題。

貝索斯提出的月球著陸器

為水選址

要想在月球上建立長期有人值守的基地，首先要解決水的供應(yīng)問題。月球表面不是低地球軌道，如果靠地球不斷發(fā)射貨運(yùn)飛船來解決用水問題，只能支持少數(shù)人的生活和探索，無法支撐大規(guī)?；?，也不具備應(yīng)對突發(fā)災(zāi)害的能力。水循環(huán)利用也不能解決全部問題，因?yàn)樵谔幚磉^程中總歸要發(fā)生損耗，最好的辦法，是在月球上找到一處能開采的水資源。問題是，有這種地方嗎？

首選是月球南極艾特肯盆地沙克爾頓隕石坑邊緣的一個(gè)位置。在2006年12月4日的一次報(bào)告會(huì)上，美國宇航局負(fù)責(zé)探索系統(tǒng)任務(wù)局的副局長道格·庫克說，這里的光照時(shí)間長達(dá)75%到80%，毗鄰一個(gè)永久陰影區(qū)。后者會(huì)保存有一些揮發(fā)性物質(zhì)（水冰），可供提取和使用。

美國宇航局曾宣布，打算在月球的南極或者北極建立一個(gè)前哨站，安排航天員長期駐守，每6個(gè)月輪班一次。當(dāng)時(shí)研究認(rèn)為，月球極地隕石坑存在水冰，前哨站或許可以用當(dāng)?shù)夭杉乃畞砭S持運(yùn)行。前哨站設(shè)計(jì)包括以下要素：居住艙、太陽能發(fā)電機(jī)組、非加壓月球車、現(xiàn)場資源利用（ISRU）單元、月表運(yùn)輸車。

民間人士提出的月球著陸器+月球基地一體化方案

美國宇航局還提出了另外兩個(gè)備選地點(diǎn)，包括月球北極附近的皮爾火山口邊緣和馬拉珀特火山口邊緣的馬拉珀特山區(qū)。

不過在月球極地區(qū)域，太陽風(fēng)的吹拂會(huì)在火山口邊緣的背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生電荷。由此產(chǎn)生的電壓差可能影響電氣設(shè)備、改變材料表面化學(xué)性質(zhì)、侵蝕材料表面，并且導(dǎo)致月球塵埃懸浮在空中。因此也有些人主張，在月球赤道地區(qū)建立基地。在這個(gè)位置，太陽風(fēng)具有更大的入射角，所以氦-3濃度可能更高，可以采用核電站為月球基地供電。赤道位置對于月面起飛也更有利，月球赤道與地球赤道面、月球繞地球旋轉(zhuǎn)的白道面基本重合，地月往返的軌道修正量比較小。

直接把居住艙安置在月球表面當(dāng)然是最方便的，就像人類早期的南極考察站一樣。但是月球可沒有地球大氣電離層的防護(hù)，無論用什么材料來制造，暴露在宇宙射線和太陽風(fēng)之下的人造設(shè)施都會(huì)很快老化失效。而且，能夠從地球送去月球的人造材料重量和體積有限，無法給月球居住艙提供足夠厚的防護(hù)。

洞穴和熔巖管

既然月球表面上的條件如此惡劣，那么住在地下行不行？月球表面白天（約354小時(shí)）的平均氣溫約為107°C，最高可達(dá)123°C；夜間（也是354小時(shí)）的平均溫度約為–153°C。不過月球內(nèi)部的溫度和壓力隨著深度的增加而增加，在地下設(shè)施里，白天和夜間的溫度都是–23°C左右，用電暖氣就可以把溫度控制在人類可以舒適生存的程度。

藏在地下的月球基地

地下月球基地可以有效避免輻射和微流星體侵襲，也將大大降低空氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。但是地下基地的建設(shè)可能會(huì)更復(fù)雜。首先要從地球上遙控工程機(jī)械進(jìn)行挖掘。挖掘完成之后，還必須進(jìn)行某種硬化以避免坍塌。這樣的技術(shù)倒是已經(jīng)比較成熟了，可以用一些類似于混凝土的物質(zhì)噴射到洞穴墻壁上，凝固之后就可以保證堅(jiān)固，然后噴涂多孔絕緣材料實(shí)現(xiàn)密封。如果月球本地資源利用技術(shù)得到突破，也可以在現(xiàn)場制造上述材料。有學(xué)者建議使用“隨用隨化”的機(jī)器，這樣，隨著施工完成，就可以實(shí)現(xiàn)洞穴內(nèi)壁的玻璃化。還有人提出，可以采用地球上礦井中的礦房、礦柱之類方法。先挖出一個(gè)比較大的洞穴，然后把軟質(zhì)的充氣式密封居住艙設(shè)置在洞穴內(nèi)。這樣，洞穴就算有少量漏氣，也能確保居住艙內(nèi)的氣壓和溫度正常。通過這種方式，可以最終建造一座地下城市。采用這樣的思路，還可以在洞穴頂部設(shè)置一個(gè)人造太陽，為地下農(nóng)場提供陽光。

月球基地里的農(nóng)場

除了人造地下設(shè)施，人們也期待著能在月球上找到一些天然形成的洞穴。月球早期是一大塊巖漿，凝固之后才形成了今天的月球。因此這些洞穴一般是在凝固過程中，因?yàn)閹r漿體積逐步縮小而形成的空洞，月球研究專業(yè)人士稱之為熔巖管。人們認(rèn)為，在火星上也可能存在這樣的熔巖管。

到目前，人類發(fā)射到月球上的探測器都還沒有實(shí)地發(fā)現(xiàn)或者考察一個(gè)真實(shí)存在的熔巖管，阿波羅登月期間航天員也沒有去尋找這種地形。一部分環(huán)繞月球的探測器拍攝到了疑似熔巖管的地貌，這說明尋找天然洞穴來建設(shè)月球基地是有希望的。

如果能找到一個(gè)合適的熔巖管，將會(huì)對月球基地的建造帶來巨大好處。熔巖管可以讓基地設(shè)施和航天員躲避月球表面的惡劣環(huán)境，不受頻繁隕石撞擊、高能紫外線輻射和高能粒子的襲擊，空調(diào)設(shè)備的工作負(fù)荷也沒有月球表面那么大。當(dāng)然，也可以省去挖掘人工洞穴的巨大土方工作量。

人工山

那么，能不能在月球上建一座人工山呢？為此，很多研究者都提出了所謂的雙穹頂方案，就是先建造一個(gè)人造設(shè)施，然后用月壤把它覆蓋起來。按照美國方面的研究，月壌主要成分是二氧化硅和含鐵化合物，如果能用強(qiáng)大的微波束照射加熱，就可以把它們?nèi)诨?，再凝結(jié)起來，就可以形成玻璃狀固體。有一位叫做巴拉科克的科學(xué)家認(rèn)為，這種“月球玻璃”機(jī)械性能可能相當(dāng)不錯(cuò)，是制造剛性結(jié)構(gòu)的一種有前途的材料。也可以用這些月壤燒制成“月球磚”，敷設(shè)在金屬框架上。

3D打印技術(shù)出現(xiàn)之后，理所當(dāng)然地成為了月球科學(xué)家們最關(guān)心的建筑技術(shù)之一。除了美國宇航局之外，一些私營企業(yè)同樣在設(shè)計(jì)月球3D打印技術(shù)。根據(jù)一家叫做“福斯特伙伴公司”的企業(yè)研究，如果用月球表土材料制造建筑材料，覆蓋在充氣式居住艙上，那么整個(gè)建筑工程只有10%的結(jié)構(gòu)材料需要從地球上運(yùn)輸過來。具體來說，這種技術(shù)是把月壌與氧化鎂混合，再使用粘合劑“將這種材料轉(zhuǎn)化為石頭狀固體”。據(jù)說，以這種3D打印樣機(jī)的能力，足以在一周內(nèi)建成一處房屋。

美國宇航局打算用3D打印的方式在月球上蓋房子

月球基地的地板也是3D打印的

電力供應(yīng)

無論建造還是生活，人們都需要為月球基地提供足夠的電力。目前為止的月球探索使用過三種供電手段——化學(xué)電池、太陽能電池和放射性同位素電源?；瘜W(xué)電池是阿波羅登月期間月球車和鉆探工具使用的。因?yàn)槊看伟⒉_任務(wù)在月球上的活動(dòng)時(shí)間都非常有限，因此化學(xué)電池也足夠使用了，這當(dāng)然不能作為長期月球活動(dòng)的能源。

月球上沒有大氣層，太陽光直射表面，能量強(qiáng)大。因此只要是在月晝期間，太陽能發(fā)電不成問題。而且太陽能電池板生產(chǎn)所需的硅材料、電池板支架需要的鐵和鋁等材料可以在月球表面開采，對后續(xù)月球基地逐步擴(kuò)大有很大的優(yōu)勢。也有人提出可以用太陽能制熱，然后用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。然而月晝雖長，月夜同樣很長，要想獲得持續(xù)電力，就必須把太陽能發(fā)電站設(shè)置在兩極，或者在月球基地設(shè)置大容量的燃料電池。燃料電池技術(shù)已經(jīng)在航天飛機(jī)上進(jìn)行了成功的應(yīng)用，最長可以運(yùn)行17個(gè)地球日，超過了月夜發(fā)電的需求。當(dāng)今的質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池遠(yuǎn)比航天飛機(jī)上的技術(shù)先進(jìn)，不過質(zhì)子交換膜尚未實(shí)施過空間飛行。不管怎么說，將燃料電池與太陽能發(fā)電結(jié)合起來，有希望提供一種可持續(xù)電力。更有一些人提出，可以把發(fā)電衛(wèi)星部署在月球靜止軌道上，這樣就不用擔(dān)心什么月夜了。然而月球靜止軌道距離月球表面十分遙遠(yuǎn)，波束發(fā)散問題比較嚴(yán)重。

日本的月球基地構(gòu)想

月球表面的環(huán)境嚴(yán)酷。即使用厚厚的月壤來覆蓋，也未必能徹底擋住宇宙射線，特別是高能粒子。因此有人提出，需要建造人工磁場來提供輻射屏蔽。這就需要為月球基地提供強(qiáng)大的電力，太陽能發(fā)電場是否能滿足要求，讓人有些生疑。所以，在月球上建設(shè)核電站的合理性似乎也是存在的。但這其中所需要的投資和要攻克的技術(shù)難關(guān)，也是可想而知的。

根據(jù)美國宇航局在2000年提出的裂變表面能（FSP）項(xiàng)目，可以在月球上采用低溫不銹鋼、液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆技術(shù)以及斯特林發(fā)電機(jī)來發(fā)電。到2010年，F(xiàn)SP的重要部件測試已經(jīng)完成，非核系統(tǒng)演示測試正在斷斷續(xù)續(xù)地推進(jìn)之中。FSP可以產(chǎn)生穩(wěn)定的40千瓦電力，相當(dāng)于地球上大約8座獨(dú)棟別墅耗電量。這種反應(yīng)堆埋在月球表面以下，可以避免對航天員造成輻射，塔狀的發(fā)電機(jī)部分延伸到反應(yīng)堆表面以上，傘狀的散熱器伸出月面，直接對著太空輻射廢熱。

我們前面還提到了放射性同位素?zé)犭姵亍Ｄ壳岸砹_斯在核電池方面處于領(lǐng)先地位。這種電池的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、可以沒有活動(dòng)部件，但是發(fā)電功率比較低，可以作為月球基地的備用電源和應(yīng)急電源。

分基地和交通

從上面的論述可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，似乎沒有哪個(gè)基地選址是絕對完美的。那么，人類能不能在月球上多個(gè)不同地點(diǎn)各自建立一個(gè)基地，承擔(dān)不同的任務(wù)呢？如果月球礦產(chǎn)勘探取得成果，發(fā)現(xiàn)了一些重要的富礦，那么開設(shè)多個(gè)基地的必要性就更加顯著了。因此，科學(xué)家們已經(jīng)開始討論月面交通的問題。很顯然，用月球車來通勤或者運(yùn)輸實(shí)在太慢了，那么鐵路行不行呢？月球上沒有空氣阻力、重力比較小，也不用考慮征地拆遷之類的麻煩事。中國人擅長的高鐵有更好的條件發(fā)揚(yáng)光大，甚至貨運(yùn)列車也能跑出飛機(jī)速度！當(dāng)然，如果乘客們不想穿著航天服坐敞篷火車，就需要在鐵路客車當(dāng)中設(shè)置生命保障系統(tǒng)。

如果要到距離基地比較遠(yuǎn)的地方進(jìn)行考察，月球車速度又太慢的話，也可以考慮飛過去。月球上沒有空氣，采用氣動(dòng)飛行原理的飛機(jī)當(dāng)然是用不上的。因此，科學(xué)家們很早就設(shè)想了噴氣式彈跳飛行器，美國貝爾航空系統(tǒng)公司就曾經(jīng)提出這樣的理念。當(dāng)然，馬斯克的不銹鋼火箭“星艦”要是真的能研制成功并且進(jìn)入宇宙，也是可以承擔(dān)這種工作的。

馬斯克的“星艦”可以作為月面遠(yuǎn)距離交通的運(yùn)輸工具

地月運(yùn)輸

雖然本文的重點(diǎn)是月球基地，但是我們?nèi)匀挥斜匾懻撘幌陆ㄔO(shè)月球基地的先決條件，那就是登月飛船。嚴(yán)格來說，現(xiàn)在無論中、美、俄，都還沒有把登月飛船研制出來。美國的阿波羅飛船早已經(jīng)失傳了，蘇聯(lián)的登月飛船不過是個(gè)PPT。中、美、俄正在研制的，是往返于地球和和環(huán)月軌道的載人飛船。進(jìn)度最靠前的是獵戶座飛船。這個(gè)從2004年就提出的型號(hào)已經(jīng)實(shí)施了一次空間飛行，它能不能真的飛往月球，其實(shí)取決于SLS火箭的研制進(jìn)度。

中國新一代載人飛船在2020年初也實(shí)施了一次飛行，它的后續(xù)研制進(jìn)展，同樣需要等待更高性能火箭的研制成功。相比之下，俄羅斯新一代飛船“鷹”的進(jìn)度讓人擔(dān)憂，人們迄今為止見過的，還不過是模型而已，工程樣機(jī)還不曾亮相。俄羅斯在2020年曾經(jīng)公開宣布，要在2024年實(shí)現(xiàn)首次飛行，能不能真的實(shí)現(xiàn)，不妨繼續(xù)觀望。