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赏金总量：50 USD
研究种类：Space Exploration，Moon Base
原文作者: The Universe Space Tech
创作者：Wonder@DAOrayaki.org
审核者：Heyyawn@DAOrayaki.org
原文: A base on the Moon. How to build a settlement on the natural satellite of the Earth
在太空时代来临之际，甚至在加加林完成太空飞行之前，苏联和美国的专家就已经开始考虑各种与月球基地建立相关的项目。其中最早的一些项目带有明显的军事主义倾向，例如，20 世纪 50 年代末开发的地平线项目，就涉及到了如何在月球上为美国核导弹建造发射台。
苏联的某个月球基地项目
幸运的是，军事部门很快意识到在月球上放置核武器是不太现实的，并对这一类想法逐渐失去了兴趣。因此，后来所有的定居项目都是和平性质的，其中一个项目是从阿波罗计划中衍生出来的。尽管现在很少有人还记得这些，但这表明，从一开始人类对月球的探索并不局限于短期的访问，人类的下一步计划是建立一个永久定居点。为了实现这一目标，NASA 考虑研发阿波罗号的升级版，或者建造一个完全不同的、具有更大货运能力的飞船。该计划将通过飞船向月球表面运送一个居住舱，保证两个人能在月球停留三个月。在未来，还将增加其他舱室，总船员人数将增加到 6 人。
但实施该项目需要多次发射土星五号火箭。在评估了潜在成本后，国会认为，美国负担不起这样的奢侈消费。因此，在尼尔·阿姆斯特朗迈出他的一小步之前，所有建立月球基地的计划都被取消了。
苏联也有类似的想法。因此，Volodymyr Barmin 开发了 Zirka 项目，其中包括向月球运送“火车”，即安装在月球车底盘上，集合了住宅、服务和能源模块的组合装置。苏联宇航员将使用这种不寻常的交通工具来勘察地形，并为月球永久定居点选择最佳位置。根据 Barmin 的想法，它应该由九个圆柱形块组成，可容纳 12 人。
苏联的一个月球基地项目
不幸的是，就像阿波罗月球基地一样，这个想法也只是纸上谈兵。主要原因有两个：首先是 H1 超重型火箭的测试失败了，该火箭本应将基础模块运送到月球；其次是成本，Zirka 估计该项目的成本将超过 500 亿卢布，而彼时苏联在军事开支方面负担过重，根本无力承担如此大规模的项目。
直到 40 多年后，月球定居点计划才被重新提及。美国的 Artemis 计划和中国的探月计划都以在月球上建立永久基地为主要任务。还有月球村倡议，这是由 ESA 提出的开放式定居的概念，无论是国家、私营公司还是非营利组织，理论上任何参与者都可以加入该倡议。月球村将为国际合作的发展做出贡献，并成为我们天然卫星发展的一个起点。
欧洲航天局工程师设想的未来月球基地。资料来源：ESA
毫无疑问，近年来，人类在太空扩张方面取得了长足的进步。因此，在现代建立月球定居点的计划比阿波罗时代要现实得多。然而，这并不意味着殖民月球将是一件轻而易举的事。为了取得成功，设计师必须应对许多挑战并找到许多重要问题的答案，其中之一是为基地寻找最理想的位置。
在月球上选择建造地点
显然，第一个基地将建在月球的南极。美国、中国和欧洲都将该地区视为运营中心，这其中有很多原因。比如，无人值守电站收集了大量数据，发现许多底部从未被太阳照亮的极地陨石坑中包含水冰沉积物，殖民者可以用它来提取饮用水、氧气和获得火箭燃料成分。
沙克尔顿坑位于月球南极附近。火山口轴的上部非常陡峭。这种冲击结构的底部永远不会受到阳光直射。资料来源：ESA
月球南极最吸引人的地方之一是长达 20 公里的沙克尔顿坑，月球的自转轴穿过它。最有可能的是，该地层走向将成为计划于 2024 年进行的 Artemis III 任务的着陆点。
月球北极最有趣的则是皮里环形山陨石坑，其边缘的四个山区几乎在整个月球日期间都被太阳照亮，这使它们成为放置太阳能发电厂的绝佳场所。在同一个火山口的底部，有一些冷阱，可能含有丰富的水冰沉积物。
基地选在极地位置的另一个优点是永久阴影区域会保持稳定温度状态。因此，在极地陨石坑底部的定居点将免受剧烈温度波动的影响。
尽管月球两极具有所有优势，但它们并不是建设定居点的唯一可能地区。月球表面下方的熔岩管也适用于此目的。管拱本身是一个很好的屏障，能够保护居住区免受微陨石、辐射和剧烈的温度波动的影响。在极地基地的建设过程中，居住模块要么被埋在地表下，要么被覆盖上额外的保护层。
月球熔岩管中的住宅模块（可视化）。资料来源：Bryan Versteeg/spacehabs.com
此外，大型结构可以放置在熔岩管内。从理论上讲，月球定居者甚至可以对它们进行密封，然后用空气填充它们的各个部分，从而有大量的自由空间可供他们使用。熔岩管的另一个优势是它们分布在我们卫星的许多区域，这可能是在月球上开始商业开采矿物的一个关键因素。
根据许多科学家的说法，我们卫星最有价值的资源是氦 3。它可以作为热核反应堆的燃料。但是这种元素最大的沉积物位于月球赤道附近，当然，那里没有水冰沉积物的陨石坑。但是你可以在那里找到能够容纳整个必要基础设施的熔岩管。
综上所述，我想补充一点，月球其他区域缺乏水冰确实会带来不便，但并不是不可逾越的障碍。风化层含有大量处于“束缚”状态的氧（以氧化物的形式存在）。科学家们进行了实验，证明可以利用电化学反应将其释放出来。这个过程会带来一个非常有趣的副作用：从风化层中去除氧气后，金属混合物仍然存在，适用于生产各种合金。所以很有可能未来月球上会出现生产氧气和建筑材料的工厂。
月球房屋的能源供应
下一个重要问题是能源供应。毕竟，仅仅建立一个基地是不够的——它还必须提供能源。
几乎所有的航天器都使用太阳能电池板。它们便宜、相对较轻、可靠且安全。不幸的是，月球上的环境并非如此简单。夜晚不可能使用太阳能电池板发电，而月球上的夜晚长达 14 个地球日。
KRUSTY 核反应堆，由 NASA 工程师设计，为前往月球或其他太阳辐射可能不足的天体的载人任务提供动力。资料来源：NASA
紧凑型核反应堆将派上用场。NASA 已经有一个能够在开放太空运行的发电厂项目。2017-2018 年，NASA 与美国国家核安全局联合对 KRUSTY（使用斯特林技术的千瓦级反应堆）反应堆原型进行了联合测试。作为燃料，它使用浓缩铀 235，并使用钠冷却剂上的斯特林发动机将热量转化为电能。经调整后，KRUSTY 的计算功率应为 1 到 10 kW。
NASA 宣称该测试是成功的。专家们进行了几项测试，在此期间他们检查了反应堆的整个循环周期——从启动到完全关闭，还研究了各种系统和设备故障的变体。测试表明，即使在发生多次故障的最糟糕情况下，反应堆仍然是可控的。
核反应堆并不是唯一可能的选择。月球两极的基地可以从位于永恒之光峰顶的太阳能发电厂获得能源，这些区域几乎总是被太阳照耀着。这是可能的，因为月球自转轴仅略微倾斜。部分竖井和最大的极地陨石坑的一些中央高地几乎全年都保持着照明。自动站拍摄的照片让科学家们在北极和南极确定了一些有希望适合放置发电厂的地方。
主要问题是将收集到的能量转移到陨石坑底部。为此，你们可以使用微波或激光辐射。最近，ESA 拨款开发 PHILIP 项目（通过行星上的高强度激光感应为漫游车提供动力）。它可以向月球南极发送两个实验装置：一个固定平台，将安装在永恒照明区的陨石坑边缘，以及一个小型漫游车。该平台将配备一个红外激光器，用于传输太阳能电池收集的能量。移动设备配备光电转换器。该平台将向漫游车发送激光束，为其探索陨石坑底部提供能量。
在位于特内里费岛（以及整个西班牙）的最高峰 Teide 火山斜坡上的测试场地测试欧洲漫游车 RAT（Rover AutonomyTestbed）。遥控漫游车接收来自激光束的能量。这个装置是研究月球两极“永恒黑暗区”的移动实验室的原型。资料来源：ESA
最后，还有一种可能的选择是为月球基地配备碱性燃料电池。它们通过涉及氢气和纯氧的化学反应来产生电能。类似的燃料电池曾经安装在阿波罗和航天飞机可重复使用的飞船上。也许它们也将应用于新月计划。该定居点可以在白天从太阳能电池板接收能源，在晚上从燃料电池接收能源。它们还可以在发生任何损坏或事故的情况下作为备用电源使用。
月球基地的建筑材料
早期的月球定居点项目建议在卫星表面安装金属舱，就像那些用来建造轨道站的舱一样。但是，不幸的是，事情并非如此简单。当然，可以修改这样的设计，但这完全取决于价格。今天，向月球运送一公斤有效载荷的成本高达五位数，甚至是六位数。如果人类真的想在地球的天然卫星上站稳脚跟，就需要找到一种从根本上降低成本的方法。
欧洲航天局工程师设想的未来月球基地。资料来源：ESA
最有趣的可能性之一是使用充气模块，例如 BEAM 舱，该模块已在国际空间站上成功运行数年。与传统的全金属设计相比，它们重量更轻，可以提供更大的内部体积。充气模块既可以放置在地表（覆盖有一层风化层以确保可靠性），也可以放置在熔岩管内。
成本优化战略的下一步骤应该是这样一种方法：即所有落在月球表面的东西都可以用于建设定居点和开展经济活动。SpaceX 将遵循这样的战略，该公司目前正在进行星舰的月球改造开发，用于满足 Artemis 计划。根据 Elon Musk 的说法，这艘船不仅将成为运送货物和人员的工具，而且还将成为一个临时的家。着陆后，星际飞船将在主要定居点的建设过程中作为居住舱使用，之后作为备用基地。
艺术家想象的登陆月球后的 SpaceX 的星际飞船。资料来源：SpaceX
然而，降低成本的主要途径是押注在尽可能广泛地利用月球上可开采的资源这个方案上。我们谈论的不仅仅是水冰沉积物的问题。月球土壤可能成为建筑材料的宝贵来源。Azimut Space 和 ESA 最近的一项研究表明，可以使用 3D 打印机从风化层中制造出整体砖，不仅可以用于建造，还可以用于解决保温问题。实验结果表明，风化砖能够积累能量，然后可以用来加热室内空间。
NASA 使用 3D 打印机建造的月球基地的可能景观：资料来源：NASA
值得注意的是，3D 打印机的能力并不限于生产基本的建筑材料。它们还可以用来制造月球基地的其他部件，如太阳能电池板、保护屏或承重结构。所以在未来，3D 打印可以彻底改变我们开发天然卫星的过程。与其把大量的设备和材料运到月球，不如把几台打印机送到那里，当场就能制作出一切必要的东西。
月球屋的清洁和安全
对于月球住宅的创造者来说，最后一个重要的挑战是保护其居民的健康。
这就是欧洲航天局的工程师们想象未来月球基地的方式。资料来源：ESA
在国际空间站运行的这些年里，科学家们收集了大量关于人体适应长期失重条件的信息。但这些数据对未来的月球定居者有多大的适用性？最有可能的是，地球天然卫星上的重力降低比完全失重对身体更好。然而，这只是一个猜测。只有在月球上出现永久性定居点之后，我们才会知道在月球上停留多久会对人们产生多大的影响。
另一个重要方面是辐射水平的提高。月球既没有大气层也没有磁场，因此它的表面不断地受到带电粒子流的轰击。幸运的是，它们通常没有很强的穿透力，对它们的保护并不是一个无法解决的问题。同时，不要忘记太阳耀斑，它可以在很短的时间内造成危害人类健康的辐射剂量。为了防止这种情况，未来的定居者将需要由监测我们恒星活动的观测站定期提供空间天气预报。
最后，你不能忽视月尘。在宇宙航行之初，人们假设我们的卫星表面覆盖着数百万年积累的数米厚的尘埃。一些科学家表示担心，试图登陆月球的航天器会简单地“沉没”在那里。
阿波罗 11 号探险队获得的月球尘埃颗粒的显微照片显示了它们的各种形状。每幅图像右下角的比例尺长 1 μm。资料来源：Chiaramonti Debay/NIST
幸运的是，这个假设被证明是错误的。但月尘是一个非常严重的威胁。事实是，它由小而同时极其尖锐的颗粒组成（因为月球上没有水和大气层能够使它们变得平滑），具有强大的研磨作用。它们不仅对机制很危险，对人也很危险。
在阿波罗探险的日子里，月尘造成了很多麻烦。它污染了设备的光学器件并损坏了宇航服。而且由于静电效应，它的颗粒很容易粘在鞋子和设备上，它们不能简单地抖掉。回到登月舱的宇航员不断地带着灰尘，这并不奇怪。结果他们中的一些人眼睛发炎，一些人出现鼻窦炎，比如 Harrison Schmitt， 他就过敏发作了。
宇航员 Eugene Cernan 在访问月球表面后。你可以看到他的西装上覆盖着一层厚厚的灰尘。资料来源：NASA
对于阿波罗宇航员来说，与月球灰尘的接触是短期的，因此没有明显的健康后患。但是在月球上停留很长时间，一切都会有所不同。专家警告说，经常吸入灰尘会导致严重的肺损伤并最终导致癌症。月球定居者甚至可能患上自己的职业病，比如矿工病。
因此，科学家们已经在思考对抗月尘的方法。最有可能的是，月球基地的模块将配备专门用于清洁空气的过滤系统。他们可能必须配备特殊的静电“淋浴器”来清除宇航服上的灰尘。因此，在进入房子之前，月球定居者们必须好好擦拭他们的脚并清洁他们的衣服——就像地球人在地球上所做的那样。
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