科學來分析下:人類建造月球基地究竟有多難?

2月18日消息,據國媒體體報導,1975年,在阿波羅號最後一次登月的第三年,《太空:1999》首次在英國電視節目中播出,這部電視劇描述了一次核爆炸破壞了月球,一支由300多人組成的國際月球殖民者離開了月球軌道,開始了一段未知的太空探索之旅。

科學來分析下:人類建造月球基地究竟有多難?

這部電視劇對當時年輕時代的埃隆·馬斯克(Elon Musk)留下了深刻印象,2017年8月,馬斯克披露了他們在月球建造人類基地的計畫,並將其命名為「月球基地阿爾法」,這個名字源自電視劇《太空:1999》中的太空月球基地。馬斯克在推特上稱,這部電視劇並未帶給觀眾轟動效應,但是他個人非常喜歡。

據悉,並非只有SpaceX公司制訂了人類登月計畫。中國國家航天局(CNSA)宣佈成功完成「嫦娥四號」探月任務的新階段任務,之前「嫦娥四號」成為首個在月球背面軟着陸的航天器。

在全球范圍內,人類月球登陸50年之後,建造月球基地的可行性逐漸成形。具有諷刺意味的是,雖然只有美國在月球上留下了足跡,但是美國人現在不得不加倍努力迎頭追趕。到2018年8月美國才宣佈建造一個永久性月球基地的計畫,在此之前美國宇航局關注的焦點是火星,相比之下,歐洲航天局已經領先一步。

月球村

歐洲航天局宣佈計畫建造一個永久性月球基地,在新任局長簡·韋爾納的倡導下,提出「月球村」概念將包括各種群體,其中包括:科學家、藝術家、公共組織和私人組織。月球村可用於天文研究、旅遊或者地質勘探地球上短缺礦物質。

同時,美國麻省理工學院媒體實驗室空間探索計畫創始人阿里爾·埃克布勞也希望「空間民主化」,為此他召集了一支多學科研究小組,具備了機器人、合成神經生物、建築、藝術、空間和設計等技術力量。

並非所有人都這樣想,但是歐洲航天局科學顧問艾丹·考利對韋爾納的觀點表示認可,因為他是首批在歐洲航天局總部研究月球技術的專家之一。他說:「最初每個人都在看着我,好像我有兩顆腦袋一樣,因此對我而言,看到人們對月球的關注越來越多,我感到非常滿足,這也證實了人們對月球探索意義的認可。」

美國宇航局計畫在2030年前將宇航員送上月球表面,並計畫在月球軌道建造一個叫做「網關(Gateway)」的月球軌道平台,目前商業公司也開始准備登陸月球展開探索計畫。例如:「藍色起源」公司正在與OHB、MT Aerospace建立合作關系,計畫發射「藍色月球」太空貨船登陸月球表面。但無論哪個組織最先到達月球表面,優先任務是倖存下來,到目前為止,人類在月球表面生活的最長時間只有3天。如果人類計畫停留更長時間,月球並不是最受歡迎的目的地。

月球目的地

月球表面溫度在零下127攝氏度至零下173攝氏度之間,存在着一定的輻射等級,處於低重力條件,其重力僅是地球的六分之一。一個月球日大約相當於29個地球日,這意味着登陸月球的探測器將經歷持續29個的白天,然後是持續29個的黑夜,太陽能充電可能成為一個問題。因此,月球前哨基地的任何新技術都必須適應這些條件。

德國太空專家皮埃爾·亞歷克西斯·朱梅爾稱,這項太空競賽將持續5年時間,因為月球競賽的目標是將最好的團隊想法帶到月球表面。

基於這些努力,「藍色起源」、空中客車太空防務及航天公司、歐洲航天局在內的幾個機構近期成立了一個叫做「月球競賽」的非營利組織,其目的是鼓勵企業在製造、能源生產、水資源開發(使用月球水灌裝瓶子)和生物製造(維持第一個月球溫室)等領域開發技術,並將在2019年10月在國際宇航大會上正式啟動。

朱梅爾是空中客車防務及航天公司太空工程師、「月球競賽」聯合創始人,他指出,我們將在今年3月發佈相關指導方針和規則,這項比賽將持續5年時間,因為月球競賽的目標是將最好的團體理念應用於月球表面開發。

「月球競賽」技術原型是在月球條件下進行測試,並構建在月球任務基礎之上。朱梅爾表示,這項太空任務主要依靠多家太空機構協作完成,我們最初計畫在2024-2025年實現。

建造月球家園

盡管早期月球基地的概念富有藝術想象力,但實際將受到現實條件的約束限制,畢竟到月球旅行成本非常昂貴。太空負載越重,所需燃料就越多,相應的成本也越高。利用月球現有資源建造一個生活空間是具有意義的,有可能使用熔岩管,在月球早期火山活動形成的隧道作為避難所,獲取月球表面之下的冰凍水資源。但一個更加直接的計畫是利用月球風化層(一種類似於地球火山沙的細黑玄武岩沙)建造一個棲息地。

科隆大學馬蒂亞斯·斯佩爾教授與德國航天機構DLR合作,使用火山粉末製造磚塊,月球風化層模擬物是通過一種叫做烤結處理的過程製造的,在燒結過程中,聚焦陽光或者激光將相關材料粘合在一起。他使用3D打印機製作不同形狀的磚塊,並觀察哪種效果最好。斯佩爾說:「我們可以使用當前技術和建造外形來構造建築元素,我們並不是在玩樂高積木,但是我們在製造扣鎖磚塊。」

這些磚塊將建造一個類似冰屋的建築結構,這樣它就能抵抗來自頂部的額外壓力。斯佩爾說:「冰屋頂部的壓力來自一層1米左右厚的鬆散風化層,因為月球沒有風可以將這些風化層物質吹散,但同時它們可作為一種天然的防輻射保護層。你需要帶上一個1平方米或者更大的透鏡來捕捉太陽光線,從而實現月球灰塵的3D燒結和打印。之後你需要一位宇航員,或者一個機器人,將這些碎片拼湊起來,最終形成一個人類定居點,月球風化層內部氧氣也可以提取出來供人類呼吸。」

斯佩爾說:「但是僅僅建造一個月球人類定居點將是一個緩慢的過程,做一塊磚大約需要5個小時,建造一個冰屋需要1萬塊磚,這需要幾個月的時間。」

如果投入使用更多的透鏡,並採用機器人建造月球人類定居點,相應的建造時間可以縮短,但這是一個可行的計畫。月球風化層可以用於建造像混凝土一樣堅固的建築。當前的技術僅能提供混凝土五分之一的強度,大約相當於石膏的強度,因此需要進一步開發設計才能達到最終理想的強度。下一個階段是評估,幸運的是,歐洲航天局大型月球設施將於今年晚些時候開始建設,該設施可以為未來人類月球生活提供技術和生存條件。

如何倖存

由於科學家在月球兩極發現了水冰證據,並在2018年8月獲得美國宇航局的最終確認,意味着任何月球基地都可能在月球兩極地區建造。月球風化層內部的氧氣也可以被提取供人類呼吸,最可能的來源是鈦鐵礦(FeTiO3),當鈦鐵礦在大約1000攝氏度時與氫氣結合,將產生水蒸汽,之後水蒸汽分離處理可以產生氫和氧。

首先,宇航員需要食物和飲料,「嫦娥四號」在月球實現種子發芽,令研究人員感到興奮,事實上在太空中生產可持續食物並不是一個新想法。該想法最初源自於1982年,當時前蘇聯宇航員在「禮炮7號」空間站上種植擬南芥。

2010年,美國亞利桑那大學開發一種「月球溫室」原型——一種水培系統,使用5.5米長的薄膜覆蓋管、水冷式鈉蒸汽燈和「封套」保存種子,利於宇航員呼出的二氧化碳和排出的尿液提供水分,光纖線纜提供陽光。

能量

新能源技術是人類在月球上生活的關鍵,地球上的燃料電池需要氫和氧(通常來自空氣)之間的化學反應來產生電能,而水是副產物。雖然月球沒有大氣層,但仍殘留部分大氣成分。

負責開發這些最新技術的考利說:「你可以將月球上的水資源進行分解,在夜晚重新組合產生電能。白天我們擁有大量的太陽能,剩餘的太陽能用於分離水,形成氫和氧,因此這是我們在月球上用於維持長期勘測任務的獨特工具。」

利用類似熱泵的處理過程存儲熱能頗具潛力,考利說:「月球上並不存在對流層,因為沒有風,所以來自太陽的熱量停留在風化層中。我們可以使用透鏡或者鏡子將陽光聚焦在地面上,利用這些資源來維持人類生活基地的溫度或者進行發電。」

一旦這些技術得以完善並進行測試,並確保在月球條件下工作,宇航員將能夠建立一個月球基地,這比你想象的要實現得更快。(葉傾城)

來源:cnBeta