我國未來將建月球基地!那麼工作人員吃啥?如何生存?一文帶你讀懂

2021-01-17 科普中國


本文專家:林文杰，科普作家，工程師，川陀智庫高級研究員


2019年1月3日，嫦娥四號著陸器成功降落在月球背面的馮-卡門撞擊坑，並釋放玉兔二號月面巡視器對撞擊坑內部環境展開探測。


2019年1月30日20時39分，嫦娥四號著陸器接受光照自主喚醒。此前，「玉兔二號」巡視器於29日20時許完成自主喚醒。兩器在月球背面成功經受極低溫環境考驗，安全度過首個月夜，將按計劃繼續開展第二月晝工作。


嫦娥四號著陸器和巡視器，圖自：國家航天局


嫦娥四號任務圓滿成功，但也引發了我們思考一個新的問題：未來的嫦娥探月工程會往什麼方向發展？月球基地預計在何時開始建造？中國人第一次登上月球表面會是哪兒？



在嫦娥四號任務期間還發生了一個小插曲，美國宇航局希望獲得嫦娥四號的精確降落位置，試圖利用月球勘測軌道器對嫦娥四號著陸器揚起的月塵進行觀測。



美國宇航局這麼做當然是節約成本，順手獲得了馮-卡門撞擊坑表面月壤的數據。從遠期看，美國宇航局收集整個月球表面數據則是在評估哪兒作為月面基地的最佳建造地點。




建造月球基地應該說在不遠的將來一定會實現，保守估計最快會在2040年前出現。月球基地的建造有兩種途徑，第一種是馬斯克式的多艙連接模式，採用多個剛性艙在月面軟著陸的方式部署，然後連接到一起形成一個月面生活區。


馬斯克式的多艙連接模式由多個著陸器連接形成，圖自：space.com


該方法與組裝國際空間站有點類似，在地面上製造完成，再通過運載火箭送到月球表面。隨著運載火箭實現可重複使用，成本也不至於不可接受。剛性艙在月面組裝可快速組裝出一個月球基地，可提供3至6名太空人駐留，滿足太空人的生活和工作。


馬斯克式的多艙連接模式建造的基地，圖自：space.com


第二種則是就地取材，與第一種自帶乾糧的方式不同，需要開採月面礦石、塵土作為原材料，然後通過一定的加工變成我們可利用建築原料，再進行建造。這種方式可大規模建造基地群，形成一個大型月面基地，可為更多太空人、科研人員提供生活和工作的環境。就地取材模式開局需要有月面挖掘機、類似攪拌機等的機械，才能利用月面礦石，對技術要求較大，一次性投入也不見得會低，只有大規模建造月球基地之時，成本效應才會得到體現。


歐洲空間局提出3D列印製造月球基地的想像圖，圖自：space.com


歐洲空間局在2013年就提出了利用月球表面礦石作為月球基地建造的構想，藉助3D列印技術在月球表面建造基地，相關技術的研發也取得了一些進展。但是我們知道歐洲人做事比較佛系，目前他們連月面軟著陸都還沒有體驗過，就談月球基地如何建造，顯然有點天馬行空的味道。美國宇航局在嫦娥四號任務期間提出對揚起的月塵進行軌道探測，也是著手建立馮-卡門撞擊坑的礦物數據，豐富他們的資料庫，為月球基地的選址提供依據。


（左上）嫦娥四號降落相機的照片和LROC NAC影像的匹配；（左下）馮·卡門撞擊坑位置；（右）嫦娥四號著陸區。圖自：LROC/ASU，LROC WAC/NAC/haibaraemily


阿波羅計劃登月期間，登月艙總質量為14.69噸，國際空間站每個功能艙也差不多十多噸的質量。從技術上看，我們具備了在月面組裝一個月球基地的基本條件，目前缺的就是像土星五號這樣的大型火箭。


阿波羅登月艙，圖自：NASA


換句話說就是，技術不是問題，錢才是最大的問題。但是錢能解決的又都不是問題，關鍵在於競爭機制沒有形成。美國之所以能夠在1960至1970年代投入240億美元，相當於今天的1000多億美元實施阿波羅計劃，就是有蘇聯這個強大對手的刺激。今天雖然沒有了蘇聯，但有崛起的私人航天企業、突飛猛進的中國、不甘示弱的俄羅斯、總有一顆聯合起來的心的歐洲、看誰都不舒服的美國、到處刷存在感的日本以及每天老想和中國比高低的印度。這些國家、地區和企業都有一定的航天實力，未來數十年的月球將成為新的必爭之地，而月球基地則是其中的關鍵一環。



月球基地建立之後，當然需要太空人進行照料，與現在的國際空間站運行模式基本相似。除了維持月球基地運行之外，還要有科學家進行各種實驗，這樣月球基地的用途才會發揮出來。那麼有人，就要有吃喝拉撒等正常代謝過程，月球基地的食物供應、廢棄物處置現在都已經解決，國際空間站上都有現成的技術和方法可以參考。唯一不同的是，月球基地一旦規模增加，那麼駐月的太空人、科學家就多了，就不能總是自帶乾糧了，需要在月球表面實現自主自給。


自主自給式基地想像圖，圖自：NASA


月球上已經發現了水分子、水冰物質，一些水冰位於撞擊坑的永久陰影區。美國科羅拉多礦業學院還提出了一種加熱開採月球水資源的方法：將太陽風反射到這些永久陰影區，將水冰轉換為水蒸氣再收集起來。原理雖然簡單，但是操作起來可能比較麻煩，近期應該無法實現。


除了生命必備的水外，駐月人類的食物也可以在月球上進行種植，不過要實現起來可能難度更大，因為國際空間站現在還是靠地面進行食物補給，水資源可以在一定程度上已經實現了循環。畢竟建立一個生態系統非常困難，生物圈二號的失敗就是一個案例，也提醒我們要保護好地球。


國際空間站，圖自：NASA


在未來20年內，比較有可能實現的月球基地應該是多個剛性艙連接的基地，規模不大，適合3至6名太空人短期駐月，同時配備一個月球軌道空間站，用於人員轉換和緊急救援。水和食物當然是靠地面補給了，現在國際空間站的太空人可以將自己的尿液、汗液進行循環再喝，這個技術也會用到月球基地上。



嫦娥四號的成功很有可能是中國探月、登月的轉折點，中國未來月球基地可以建造在月球背面，如果載人登月也選擇在月球背面，把國旗插在月球背面，那麼意義又有了很大不同。


嫦娥四號著陸器月午工作正常 地形地貌相機順利完成360度環拍，圖自：國家航天局


與美國人在月球正面登陸進行區分，潛臺詞可以是正面你探測過了，代表著20世紀，那背面探測就看我的了，代表著21世紀！由此看來馬斯克還是比較明智的，還沒出道就選擇了火星作為目的地，也許他早就看到了月球未來的格局。



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