建設月球基地，要解決哪些難題？

文/ 王佳

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生活、工作，還要考慮長期可持續性，這就涉及到很多現實問題。

為水選址

美國宇航局還提出了另外兩個備選地點，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。

▲ 貝索斯提出的月球著陸器

▲ 藏在地下的月球基地

不過在月球極地區域，太陽風的吹拂會在火山口邊緣的背風側產生電荷。由此產生的電壓差可能影響電氣設備、改變材料表面化學性質、侵蝕材料表面，并且導致月球塵埃懸浮在空中。因此也有些人主張，在月球赤道地區建立基地。在這個位置，太陽風具有更大的入射角，所以氦-3濃度可能更高，

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問題。月球表面不是低地球軌道，如果靠地球不斷發射貨運飛船來解決用水問題，只能支持少數人的生活和探索，無法支撐大規模基地，也不具備應對突發災害的能力。水循環利用也不能解決全部問題，因為在處理過程中總歸要發生損耗，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位置。在2006年12月4日的一次報告會上，美國宇航局負責探索系統任務局的副局長道格·庫克說，這里的光照時間長達75%到80%，毗鄰一個永久陰影區。后者會保存有一些揮發性物質（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前哨站，安排航天員長期駐守，每6個月輪班一次。當時研究認為，月球極地隕石坑存在水冰，前哨站或許可以用當地采集的水來維持運行。前哨站設計包括以下要素：居住艙、太陽能發電機組、非加壓月球車、現場資源利用（ISRU）單元、月表運輸車。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，無論用什么材料來制造，暴露在宇宙射線和太陽風之下的人造設施都會很快老化失效。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。

▲ 月球基地里的農場

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）的平均氣溫約為107°C，最高可達123°C；夜間（也是354小時）的平均溫度約為–153°C。不過月球內部的溫度和壓力隨著深度的增加而增加，在地下設施里，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。

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險。但是地下基地的建設可能會更復雜。首先要從地球上遙控工程機械進行挖掘。挖掘完成之后，還必須進行某種硬化以避免坍塌。這樣的技術倒是已經比較成熟了，可以用一些類似于混凝土的物質噴射到洞穴墻壁上，凝固之后就可以保證堅固，然后噴涂多孔絕緣材料實現密封。如果月球本地資源利用技術得到突破，也可以在現場制造上述材料。有學者建議使用“隨用隨化”的機器，這樣，隨著施工完成，就可以實現洞穴內壁的玻璃化。還有人提出，可以采用地球上礦井中的礦房、礦柱之類方法。先挖出一個比較大的洞穴，然后把軟質的充氣式密封居住艙設置在洞穴內。這樣，洞穴就算有少量漏氣，也能確保居住艙內的氣壓和溫度正常。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置一個人造太陽，為地下農場提供陽光。

除了人造地下設施，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，因為巖漿體積逐步縮小而形成的空洞，月球研究專業人士稱之為熔巖管。人們認為，在火星上也可能存在這樣的熔巖管。

到目前，人類發射到月球上的探測器都還沒有實地發現或者考察一個真實存在的熔巖管，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月球基地是有希望的。

如果能找到一個合適的熔巖管，將會對月球基地的建造帶來巨大好處。熔巖管可以讓基地設施和航天員躲避月球表面的惡劣環境，不受頻繁隕石撞擊、高能紫外線輻射和高能粒子的襲擊，空調設備的工作負荷也沒有月球表面那么大。當然，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，就是先建造一個人造設施，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，如果能用強大的微波束照射加熱，就可以把它們融化，再凝結起來，就可以形成玻璃狀固體。有一位叫做巴拉科克的科學家認為，這種“月球玻璃”機械性能可能相當不錯，是制造剛性結構的一種有前途的材料。也可以用這些月壤燒制成“月球磚”，敷設在金屬框架上。

3D打印技術出現之后，理所當然地成為了月球科學家們最關心的建筑技術之一。除了美國宇航局之外，一些私營企業同樣在設計月球3D打印技術。根據一家叫做“福斯特伙伴公司”的企業研究，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，那么整個建筑工程只有10%的結構材料需要從地球上運輸過來。具體來說，這種技術是把月壌與氧化鎂混合，再使用粘合劑“將這種材料轉化為石頭狀固體”。據說，以這種3D打印樣機的能力，足以在一周內建成一處房屋。

▲ 民間人士提出的月球著陸器+月球基地一體化方案

電力供應

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——化學電池、太陽能電池和放射性同位素電源。化學電池是阿波羅登月期間月球車和鉆探工具使用的。因為每次阿波羅任務在月球上的活動時間都非常有限，因此化學電池也足夠使用了，這當然不能作為長期月球活動的能源。

▲ 美國宇航局打算用3D打印的方式在月球上蓋房子

月球上沒有大氣層，太陽光直射表面，能量強大。因此只要是在月晝期間，太陽能發電不成問題。而且太陽能電池板生產所需的硅材料、電池板支架需要的鐵和鋁等材料可以在月球表面開采，對后續月球基地逐步擴大有很大的優勢。也有人提出可以用太陽能制熱，然后用斯特林發動機來驅動電動機。然而月晝雖長，月夜同樣很長，要想獲得持續電力，就必須把太陽能發電站設置在兩極，或者在月球基地設置大容量的燃料電池。燃料電池技術已經在航天飛機上進行了成功的應用，最長可以運行17個地球日，超過了月夜發電的需求。當今的質子交換膜（PEM）燃料電池遠比航天飛機上的技術先進，不過質子交換膜尚未實施過空間飛行。不管怎么說，將燃料電池與太陽能發電結合起來，有希望提供一種可持續電力。更有一些人提出，可以把發電衛星部署在月球靜止軌道上，這樣就不用擔心什么月夜了。然而月球靜止軌道距離月球表面十分遙遠，波束發散問題比較嚴重。

月球表面的環境嚴酷。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大的電力，太陽能發電場是否能滿足要求，讓人有些生疑。所以，在月球上建設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難關，也是可想而知的。

▲ 日本的月球基地構想

▲ 月球基地的地板也是3D打印的

根據美國宇航局在2000年提出的裂變表面能（FSP）項目，可以在月球上采用低溫不銹鋼、液態金屬冷卻反應堆技術以及斯特林發電機來發電。到2010年，FSP的重要部件測試已經完成，非核系統演示測試正在斷斷續續地推進之中。FSP可以產生穩定的40千瓦電力，相當于地球上大約8座獨棟別墅耗電量。這種反應堆埋在月球表面以下，可以避免對航天員造成輻射，塔狀的發電機部分延伸到反應堆表面以上，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熱電池。目前俄羅斯在核電池方面處于領先地位。這種電池的特點是結構簡單、可以沒有活動部件，但是發電功率比較低，可以作為月球基地的備用電源和應急電源。

▲ 馬斯克的“星艦”可以做為月面遠距離交通的運輸工具

分基地和交通

從上面的論述可以發現一個問題，似乎沒有哪個基地選址是絕對完美的。那么，人類能不能在月球上多個不同地點各自建立一個基地，承擔不同的任務呢？如果月球礦產勘探取得成果，發現了一些重要的富礦，那么開設多個基地的必要性就更加顯著了。因此，科學家們已經開始討論月面交通的問題。很顯然，用月球車來通勤或者運輸實在太慢了，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揚光大，甚至貨運列車也能跑出飛機速度！當然，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中設置生命保障系統。

如果要到距離基地比較遠的地方進行考察，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，采用氣動飛行原理的飛機當然是用不上的。因此，科學家們很早就設想了噴氣式彈跳飛行器，美國貝爾航空系統公司就曾經提出這樣的理念。當然，馬斯克的不銹鋼火箭“星艦”要是真的能研制成功并且進入宇宙，也是可以承擔這種工作的。

地月運輸

雖然本文的重點是月球基地，但是我們仍然有必要討論一下建設月球基地的先決條件，那就是登月飛船。嚴格來說，現在無論中、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失傳了，蘇聯的登月飛船不過是個PPT。中、美、俄正在研制的，是往返于地球和和環月軌道的載人飛船。進度最靠前的是獵戶座飛船。這個從2004年就提出的型號已經實施了一次空間飛行，它能不能真的飛往月球，其實取決于SLS火箭的研制進度。

中國新一代載人飛船在2020年初也實施了一次飛行，它的后續研制進展，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”的進度讓人擔憂，人們迄今為止見過的，還不過是模型而已，工程樣機還不曾亮相。俄羅斯在2020年曾經公開宣布，要在2024年實現首次飛行，能不能真的實現，不妨繼續觀望。