明月幾時有?把酒問青天。
蘇軾在創作這首水調歌頭的時候也許沒想到,時隔千年左右,人類已經登上他嚮往的皓然明月,那裡沒有瓊樓玉宇,沒有廣寒宮和嫦娥仙子,也沒有搗藥的玉兔和伐桂的吳剛,甚至沒有生物賴以生存的空氣和水資源,但是這些並不能阻擋人們的「奔月」熱情。
1969年7月21日,當阿姆斯特朗的左腳踏上月球,他感慨到:
「這是一個人的一小步,卻是人類的一大步。」
在阿波羅17號完成第6次載人登月任務之後人類探月進入一個相對沉寂的時期,更遙遠,但是看起來更適合人類移居的火星成為中美俄等航空大國的探察重點,馬斯克的私人航天公司SpaceX更是雄心勃勃地希望在2050年之前在火星上建立人類的生活基地。
不過,近幾年中國的探月工程玉兔號月球車登陸月球,美俄航空業著眼於重返月球,歐洲、日本、印度的探月工程不斷推進,月球的探測活動又重新熱鬧起來。
藝術家設想的月球基地3D效果圖
自古以來,中外的文人雅士都把月球作為浪漫主義的代名詞,而在科學家眼裡,月球絕不僅僅是詩情畫意的星球,它可以作為人類走出地球、探索浩瀚宇宙的前哨所。
1968年由阿波羅8號觀察到的地球,資料來自NASA
相比遙遠的火星,現階段開發月球資源更具有可行性和可期的經濟效益,主要體現在兩個方面,一是從未中斷的月球探索中人類積累了豐富的經驗,二是月球的可開發資源顯而易見。
人類的探月工程最早始於上世紀50~60年代,1959年美國陸軍彈道飛彈局(ABMA)組建了一支名為「地平線計劃」的工作隊,計劃在1967年餘月球上建立一座堡壘。而人類的首次探測是1959年蘇聯相繼發射的月球2號和月球3號探測器,由此揭開無人操作的月球探測時代。
蘇聯月球3號探測器
美國的載人航天工程——阿波羅計劃從1961年持續到1972年,成功實現了載人登月和安全返回地球的目標。
阿波羅計劃總共實現了11次載人任務,6次人類登月任務,帶回了381.7千克的月球巖石標本,是迄今為止最龐大的月球探測工程。
研究員在休斯頓的月球接收實驗室檢查從月球返回的最大巖石標本-「Big Muley」
在七十年代探月熱潮褪去之前,月球上的探索活動基本上是美蘇兩國謀求霸權的二人轉,上世紀九十年代以來,歐洲航天局、中國、日本、印度等國家相繼加入到探月活動中,探月成果物也變得多樣化,國際間合作越來越常態化。
由美、俄、歐、日、加多國航天局共同運營的國際空間站是國際太空合作的典範
2004年,中國正式開展月球探測工程,並命名為「嫦娥工程「,分無人月球探測、載人登月、和建立月球基地三個階段目標,截止目前已經完成了嫦娥三號在月面軟著陸,玉兔一號和玉兔二號月球車的月球上自動巡視勘測,實現多個方面的突破。
嫦娥五號效果圖
2020年6月11日,據中國國家航天局探月與航天工程中心消息,嫦娥四號任務團隊獲得國際宇航聯合會(IAF)2020年度最高獎——「世界航天獎」。這也是該國際組織成立70年來首次把這一獎項授予中國航天科學家。
2013年年12月23日,嫦娥三號著陸器捕捉到四張玉兔月球車向南行駛的拼接圖片,圖片來自網絡
2008年11月8日下午,印度首顆繞月探測器「月船1號」進入繞月飛行軌道。月船1號使用NASA的Mini-SAR雷達,在月球北極發現了40多個裝有水冰的火山口。
印度月船1號繞月探測器。
靠近地球是月球的最大優勢,這個優勢體現在光線僅需1.3秒即可到達月球,可進行近乎實時的通訊和對機器的遠程控制,這在任何其他主要的天文物體上都是不可能的。
同時,使用現有的太空飛行器可以在幾天之內到達月球,從而可以使用更少的能源,更快地開發月球,並且,到達月球的時間短,可以迅速提供緊急物資或人員的緊急撤離。
相比之下,現有技術人類要到達火星需要幾個月的時間,而且往返通訊的延遲時間為8到40分鐘,並且無法遠程控制火星上的機器。
月球上已知的可開發資源豐富,除了可以滿足未來月球基地的需求外,對於地球的某些資源也可以形成有效的補充。它們主要體現在以下幾個方面:
① 月球上有許多易於開採的重要元素
月球幾乎沒有大氣,這樣太陽風粒子中的氬、氖和氦3可直接滲入月球土壤中,其中的氦3有可能成為一種既安全又清潔的新型核聚變燃料。
根據一項估計,太陽噴射並沉積到月球表面的氦3的量超過110萬噸,僅100噸的燃料就可以為地球供電整整一年。由於所有的氦3都沉積在月球表層土壤的前幾米,因此提取它並不是很困難。
另外,來自科學新聞博客的文章數據,月球上鈦的濃度範圍大約1%到略高於10%,而在地球上,最高濃度很少會超過3%。
下表是一些重要元素在月球高地、月球低地和地球上的集中度對比。
表格來自next big future文章《Concentration of elements on lunar highlands, Lunar Lowlands, and Earth
② 月球上安裝月基天文望遠鏡,對太空的觀察效率要高於地球
月球表面沒有大氣和塵埃的幹擾,月球是太陽系中最安靜的地方之一,這使得科學家能夠利用射電天文學來研究沒有大氣層和電磁幹擾的宇宙。
可以預想,未來月球基地中,天文觀測將是其一大功能。
而這樣的研究在現階段的探月工程中已經開始展開,中國月球探測工程首席科學家歐陽自遠表示,「嫦娥三號著陸器上安裝了天文望遠鏡和極紫外相機,這是我們自己的特色。」
月球上沒有大氣活動,沒有各種汙染,望遠鏡的解析度很高,這是人類第一次在月球上觀測天文,極紫外相機用於探測地球等離子體層的變化特點,從而提高中國空間環境監測和預報能力。
嫦娥三號著陸器與巡視器(玉兔號)
③ 月球可以給未來的宇宙飛船提供「中轉服務」和「能量加油」
月球的重力約為地球的1/6,因此,從月球運出物資所需的能量要比從地球運送所需的能量要少很多,月球沒有大氣層的另一個優點是飛行器從月球起飛沒有阻力。因此,月球可以作為一個有效的太空飛行中轉站。
物理學大師加來道雄認為,未來人類可以在月球表面建立大量的雷射器陣列,這些雷射器可以用來將未來的太陽帆飛行器、星際飛船發射到遙遠的恆星系統。
利用太陽光航行的太陽帆太空飛行器,由於推力很小,所以不能從地面起飛,但在沒有空氣阻力存在的月球不成問題
月球擁有豐富的資源,如果在月球基地上開發這些資源可以為太空飛行器提供動力,包括上文提到的新型核聚變燃料氦3。
這樣,月球不僅為我們提供了學習如何在其他星球開發的實踐經驗,而且可以作為補給宇宙飛船能量的「加油站」。
質量投射器是一個可能解決物資傳輸的方案
④月球的旅遊資源大有可為
對於很多人而言,月球就像一個神話,充滿話題性和吸引力,雖然早期月球基地的規劃大多出於軍事目的,例如美蘇在冷戰時期的探月工程,但是,現在越來越多的人認為,月球基地的建立離不開經濟效益,而月球觀光旅遊將是其中重要的一環。
月球的太空酒店假想圖
低重力的月球環境給旅遊開發者們無限的靈感,有人提議在月球基地中建立一個草木茂盛的月球城。
月球城假想圖
月球城由巨大的玻璃穹頂結構進行圍護,裡面包含娛樂城和月球的星級旅館、體育館等旅遊設施,星級旅館內建造超高的跳臺,遊客可以體驗在1/6重力下從超高跳板跳入酒店泳池的刺激活動,還可以在體育館中體驗低重力的下的球賽。
由藝術家Pat Rawlings的繪畫的太空體育運動,資料來自NASA
另一方面,對於殘疾人而言,低重力環境可以讓他們擁有比較自由的活動。
更有趣的是月球表面的觀光,包括熔巖洞和月球火山口的觀光,遊客身穿著看起來厚重的太空服,在導遊的引導下步履輕盈地探索這些月球自然景觀。
月球風光
現階段,一些私人太空公司已經提出了將來進行月球旅遊的項目,馬斯克SpaceX在載人航天成功後,下一階段的目標是把遊客帶上地球軌道,在300公裡外觀看我們的藍色星球。
SpaceX 繞月計劃,資料來自SpaceX官網
月球上沒有廣寒宮,只有月塵和漫長的晝夜,沒有氧氣也沒有水源,人類總不能一直穿戴著龐大的太空衣生活,或者住在狹小的太空艙中體驗月球的浪漫。因此,建立永久生活基地是移民月球的唯一方案。
美國的地平線計劃(Project Horizon)是軍事計劃,旨在月球建立以核彈發射為中心的基地,這個計劃因難度大,投資高而停留在可行性研究階段,並讓位於最終成功載人登月的阿波羅計劃。
蘇聯曾在1962年到1974年期間展開大規模的月球開發活動,這個活動被稱為DLB月球長期基地或者Zvezda月球基地,DLB計劃建成容納9個人的半永久性基地,由9個類似列車車廂的基礎模塊組成,每一節「車廂」都是一個可以單獨啟動的生活空間。這些模塊可以伸縮,運送往月球期間長度為4.5m,到達月球基地後充滿空氣,它們便可以伸長到8.6米,以擴大內部的生活空間,其電力由核反應堆提供。
蘇聯DLB月球基地模塊的概念圖
這些模塊的原型於1967年在蘇聯生物醫學研究所(IBMP)進行了為期一年的封閉生活實驗。根據實驗的結果,研究人員計劃將模塊上安裝屏幕假窗,用來播放地球鄉村的場景,這些場景會隨著莫斯科季節的變化而變化。模塊內設有健身器,配備同步的電影放映機,使太空人在月球上也能體驗莫斯科郊外看電影跑步的感覺。研究人員認為這些心理措施對於維持機組人員的心理健康很重要。
蘇聯DLB月球基地模塊1比1模型
遺憾的是,這個概念因蘇聯人類登月計劃失敗而胎死腹中。
蘇聯DLB月球基地三維模擬圖
美蘇的月球基地計劃讓我們知道人類離建立月球生活基地還有很長的路要走,強如美國也只是完成了基本的登月,月球基地的建立是需要世界各國通力協作的。
以下這些是橫亙在探索道路前的難題:
雖然隨著航天技術的發展,人類已經實現了載人航天和登月任務,但是這些成果建立在高昂的成本上,目前為止,人類的載人航天任務大多數是由一次性的太空飛行器及可回收的 太空梭實現的。
美國的太空梭雖然可以回收,但是其耗資龐大,而穩定性卻一直是無法跨越的難題。這種由250萬個零件組成的高度複雜系統可靠性很差,同時每次發射之前的檢查、維護、修理都是繁瑣而高成本的工作。美國所有的太空梭也已經在2011年7月22日正式退役。
最後一次執行任務的太空梭亞特蘭蒂斯號於2011年7月21日返航後正式除役
由於沒有大氣的保溫功能,月球白天的表面溫度大都在100℃以上,而夜晚溫度則達到-180℃,並且,缺乏大氣造成月球表面直接面對太陽耀斑的強烈輻射。這樣的極端天氣情況下,對於月球基地的建築和電子元器件的正常運轉都是極大的考驗。
另一方面,月球既圍繞著地球做橢圓軌道公轉,同時也進行自轉,如下圖所示,其公轉和自轉的周期幾乎完全一樣,為約27個地球日,一個陰曆日持續約29個地球日,這意味著月球地表約有兩周的日光持續照射,隨後是兩周的黑暗。對於月球基地的植物而言,如何在漫長的黑夜裡成長,花粉傳播媒介的缺失都是生長的挑戰。
月球的公轉,資料來自NASA
2009年10月NASA的LCROSS探測器撞擊月球時,在月球南極發現了冰層,月球兩極永久陰影區的黑暗和極寒中使得冰層困在其中,但是如何開採是一個難題。
這張可見的照相機圖像顯示了LCROSS撞擊月球後約20秒時的噴射羽流
中國的嫦娥三號探測器已經證明月球上沒有液態水,中科院國家天文臺研究員魏建彥稱:「我們測量了月球地表層以上水的含量,得到了有史以來最低的一個測量值,這個測量值符合預期。」
另一方面,氧雖然是月球風化層的主要元素之一,不過僅能在月球基巖礦物中發現,如何開採也是個難題。
同樣的難題包括燃料的缺失,月球上漫長的黑夜也阻礙了太陽能的使用,如果不能解決恆定的動力來源,月球基地的運轉也無從談起。
以上的問題我們可以看出,建立月球永久生活基地必須解決高昂交通運輸成本、抵抗月球極端氣候環境、缺少水、空氣和動力燃料等難題。
現階段,世界範圍內各航天大國都針對這些難題提出許多解決方案。
馬斯克在2002年創建太空探索公司SpaceX, 目標是實現把人送到地球軌道、國際空間站、月球和最終目的地——火星的四步走任務。
Space X公司於2017年發布了他們的登月火箭的設計效果圖
為實現這四個目標,最重要的是太空飛行器的穩定性和減少成本。
以往除了太空梭以外,幾乎所有的火箭都被設計成一次性使用的太空飛行器,為了實現降低成本,SpaceX火箭的目標是實現回收和重複使用。
經過多次的失敗試驗,2016年SpaceX的Falcon 9火箭安全在海上平臺軟著陸,首次實現火箭的回收。
在休斯頓太空中心展出的Falcon 9回收火箭
2020年5月30日,SpaceX的Dragon太空飛行器首次實現商業載人試航發射成功,將美國宇航局的太空人Bob Behnken和Doug Hurley送往國際空間站。
馬斯克和他的SpaceX正朝著下兩個目標載人登月、定居火星的方向大步前進。
同樣的私人商業太空公司還有亞馬遜創始人傑弗裡·貝索斯於2000年創辦的藍色起源(Blue Origin),藍色起源的使命是提高太空旅行的安全性並降低成本。目前他們正在研製亞軌道和軌道飛船,並在2012年成功測試一種與阿波羅飛船和東方一號都不同的載人飛船逃生系統。
藍色起源的可回收火箭New Shepherd助推器降落在西德克薩斯州的基地
月球的赤道相對於地球繞太陽的軌道傾斜約1.5度,它的軌道運動使得兩極附近的一些山峰一直面對著太陽,從而使它們成為永晝峰。
月球相對於地球軌道的赤道傾斜。資料來自維基百科
NASA的Clementine號軌道飛行器發現Malapert山脈近90%的時間被陽光照亮。這些區域因此具有近乎恆定的日光,可以為月球基地提供充足的太陽能動力。
歐洲也有類似在月球永晝峰建立太陽能發電廠的設想,圖片來自ESA
在永晝峰可以建立一套系統,幫助植物抵禦輻射和協助授粉。有了這樣的系統,永晝峰的基地就養活約50人,成為月球定居點的良好開端。
休斯頓大學空間系統運營研究所所長David Criswell有個願景,在月球的永晝峰區域投放許多機器人漫遊車,它們本身由太陽能驅動,用3D列印數公頃的太陽能電池站,收集的太陽能以微波的形式將其發射回地球,從而為月球基地和地球供電。
David Criswell提出的微波相控陣在月球上的太陽能發電廠
月球上的大型熔巖洞是不錯的庇護所,它們在月球上已經穩定了數十億年,是可靠的結構,能抵擋月球頻繁的隕石撞擊和高能的紫外線輻射,還能維持相對溫和的環境溫度。
月球上熔巖洞天窗想像圖
普渡大學的一組研究人員探討了超過0.6英裡(1公裡)寬的熔巖洞是否可以在月球上保持結構穩定
與永晝峰區域相似,月球兩極附近還存在永久處於黑暗中的區域。這些區域通常是由於山峰遮擋了陽光或是陽光根本無法到達的深坑內部。
在NASA的月球偵察軌道器(LRO)觀測的月球南極permashadow地區,那裡近20億年沒有受到陽光照射,是捕集包括水在內的揮發性物質(如果暴露在陽光下會蒸發)的極佳場所。
NASA的LRO看到的月球南極的Permashadow地區。資料來自NASA
印度的Chandrayaan-1太空飛行器曾經使用NASA的Mini-SAR雷達,在月球北極發現了40多個含有水冰的陰影深坑。NASA的LCROSS太空飛行器故意撞擊月球南極上的一個perma shadow地區,出現約20秒時的噴射羽流。很顯然,如果能開發這些水冰將是月球基地發展的重要一步。
藝術家繪製的LCROSS在撞擊月球表面。資料來自NASA
取回地球的月球巖石樣本的研究顯示,月球基巖由40-45%的氧氣組成,以礦物質或玻璃的形式化學結合成氧化物。開採基巖可能為未來的月球基地提供氧氣來源。
目前,歐洲航天局正在嘗試建立一個試驗制氧廠,從月球的基巖中提取氧氣。
研究人員在EAS的實驗室中嘗試從月球基巖中提取氧氣,圖片來自ESA
除了永晝峰之外,月球漫長的晝夜使其大部分地區不適合開發太陽能,因此,月球核能是許多研究人員一致認可的有效能源。
NASA正在開發一種移動的核反應堆,這種反應堆的工作方式是分裂原子並以熱的形式釋放能量,然後將其轉化為電能,能連續產生10千瓦的電能,並且可持續使用時間長達10年,這些電能足以為數個月球基地家庭提供足夠的電力。
美國畫家在月球表面上繪製的千伏核反應堆的照片。
基地建設怎麼能少了專業建築師的參與,事實上月球基地的建設既需要航空科研人員的嚴謹科研數據,也需要材料工程師的材料科學,最後由專業建築師進行概念整合。
世界範圍內不少知名建築設計公司在進行月球基地的概念設計,做出了許多讓人眼前一亮的方案,這些方案用直觀的概念圖進一步增加了民眾對探月工程的熱情和憧憬。
2012年,福斯特建築事務所與歐洲太空總署(ESA)合作,推出了一個名為「LUNAR LIVING 「(月球住所)的月球基地概念方案。
這個月球基地擬建在陽光普照的月球南極,首先將一艘內藏生活艙的太空船送至一個名叫Shackleton的隕石坑內,這個隕石坑因為峽谷形成的陰影,內部形成局部的永久陰暗區,因此這個區域內溫度均衡,有天然的遮擋屏障,是一個建造月球村的理想選址,另一方面,月球漫遊車也可以深入隕石坑深處的永久陰暗區開採冰層水資源。
Shackleton隕石坑位於月球南極附近,NASA的研究表明,月球兩極附近永久性陰影的隕石坑積聚大量的冰水
太空船降落在月球表面後,它將自動使用其金屬臂將生活艙放置在地面上,這個可以容納4個人的生活艙會自動膨脹展開。然後,周圍的月球漫遊車用勺鏟鏟月塵,將碎石堆積在生活艙四周。
在接下來的3個月時間內,漫遊車使用3D印表機在生活艙上重繪巖石層,最終在生活艙外殼上形成一層厚厚的月塵防護罩,這種防護罩能有效抵擋太空的微隕石襲擊和太陽風輻射的侵蝕,上部保留由鋼化玻璃組成的採光孔。
幾個生活艙可以組合形成一個月球基地。
月球村項目是SOM與歐洲太空總署(ESA)和麻省理工學院(MIT)合作的規劃、設計項目,月球村作為人類月球定居點項目強調耐久性和自足性。
Test Lab是「月託邦」國際設計比賽的冠軍作品。它被設計成集居住、工作和研究於一體的空間,是一個可以自給自足的月球定居點。
Test Lab項目概念設計
Test Lab 結構系統是由碳纖維製成的摺紙造型組成,通過在月球表面進行3D / 4D列印和組裝,活性炭纖維會在太陽風引起的壓力差作用下開始自動組裝,形成小型的定居點。同時,隨著時間的推移,這個定居點會不斷地發展和壯大。
Test Lab的結構生成形式
來自義大利的建築事務所Bianchi設計的Momentum Virium方案以其獨到的布局而聞名。設計師們覺得月球作為地球的衛星,其整體性不應為人造建築所遮礙,於是提案將建築結構置於月球的軌道而不是其表面上,通過一部太空電梯連接這座太空城和月球表面,非常科幻。
像衛星一樣在月球軌道的生活基地紐帶,注意紐帶和月球之間有一個太空電梯連接
生活基地紐帶的斷面圖,不知道他們是否解決了重力的問題的
Modulpia結構具有模塊化構造的特徵,可以隨著時間推移進行有機地自我擴張。其內部培育的植物在產氧排碳的同時可以作為食物供應,水淨化系統保證了飲用水的自給自足。
整體結構充分體現了生物再生的概念,通過一套名為We air-Phelan的結構系統,可以讓結構體形成可擴展的景觀,以一種相對經濟實惠的、可持續和簡單的方式形成月球生活基地。
這個作品中,設計師更注重月球基地的生態建築,因此命名《月球綠洲》,在遮擋輻射和強光的熔巖洞中通過強化植被來改造月球貧瘠的景觀,以此形成適合人類居住的「綠洲」。
月球綠洲
月球綠洲
就尺寸上來說,The Aerosphere是月球基地方案中最小的。
它是一套可攜式透明空氣套裝,這個套裝裡可以補給氧氣、水等生命資源。適合那些在月球上臨時、流動的居住點,讓使用者能自主在月球表面探索。
中國古代便有嫦娥奔月的傳說,古希臘神話中的月亮女神阿爾忒彌斯受到希臘、乃至西西里人民的崇拜, 並為她修築了奇蹟建築——阿爾忒彌斯神廟。
阿爾忒彌斯神廟復原圖
科幻小說的開創者凡爾納於1865年創作了小說《從地球到月球:97小時20分鐘的直接路線》,小說中無論是登月的地點(美國)、登月人數(三人)、還是登月飛船(一個炮彈)在空中飛行的時間等數據和現實中美國的阿波羅計劃都有著驚人的相似,考慮到那個年代飛機都還尚未發明,凡爾納的這篇科幻巨製一直是太空迷津津樂道的話題。
凡爾納小說中用於發射到月球的炮彈
由斯坦利·庫布裡克執導的科幻電影《2001太空漫遊》於1968年上映,第一次將逼真的月球場景展示給世人,引發了極高的觀影熱潮。
科幻電影《2001太空漫遊》被譽為「現代科幻電影技術的裡程碑「
探月從古至今都是一個極具魅力的話題,隨著科學技術的進步,人類社會的未來發展中走向太空是一個必然的選項,開發月球便是這偉大工程的第一站。
今天的探月熱潮不同於以往的兩大國之間的太空競賽,月球開發的巨大難度和先前的經驗要求各國在科學勘察、資源開發過程中協議合作,互助共贏, 如同國際社會在開發南極時建立的南極協議一樣,確保各國對月球的尊重,這樣才能和平、有序地推進人類月球基地的建設和發展。
藝術家在1986年提出的NASA月球基地的概念。資料來自NASA
相信月球基地走向成熟的那一天,也許我們的子孫們在讀李白的《靜夜思》時,老師需要解釋:現在我們舉頭望的是第二故鄉,低頭和月球上的親人視頻電話。
太空探索公司藍色起源發布的未來人類的月球移民地的效果圖