今日嫦娥挖土，明朝月球基地！看看月球基地該怎麼造

2020-12-05 佰思科學

作者：佰思科學 ｜沈東旭 邱亞明


2020年12月1日，嫦娥五號著陸器在月球表面成功登陸，並挖到了中國在月球的第一鏟土。這之後，嫦娥五號將裝載著來之不易的月壤返回地球。

月球著陸的嫦娥五號拍攝的圖片

這次嫦娥五號的月球鏟土任務，一方面是驗證未來載人登月的流程與技術；另一方面，取回的月壤，不僅用於了解月球歷史等科研目的，更重要的是，為籌劃建立月球基地做準備。月壤在未來的月球基地建設中，將起到什麼樣的作用呢？作用很大。

未來的月球基地

首先，讓我們來看看，建立月球基地，需要考慮哪些方面的因素。


· 輻射


月球表面的輻射來自於太陽風粒子和宇宙射線。其中大部分是質子，其次是阿爾法粒子，即氦原子核，還有少量其他重核。這些粒子能穿過我們的身體，破壞DNA結構，甚至引發癌症。在地球，我們受到地球磁場和大氣層的雙重保護，大部分輻射都不能達到地面。但在月球，這兩樣都沒有。

月球多數時間處於地球磁場之外

根據2019年落月的嫦娥4號的測量數據，月球表面的輻射水平是地面的兩百倍，比地球空間站還高3倍。地球上人平均年宇宙射線輻射量為0.4毫希沃特。國際規定放射性職業工作者年全身輻射上限為20毫希沃特。如果太空人在月球呆上一年，200倍的月球輻射水平雖不至於致命，但顯然會遠超出安全值。

NASA為Artemis計劃設計的太空衣

太空人身上的太空服有抗輻射能力，能在一定程度上降低太空人在月球表面活動時受到的輻射。但顯然不可能一天到晚都穿著太空衣，在基地內必然要脫去太空衣便於活動。專家計算後發現，需要至少0.5米厚的月壤來提供對輻射的防護。


· 微隕石


宇宙中大大小小的石頭，隨時都會落向地球和月球。地球的大氣層，能直接將10米以下的隕石燒毀，化成天空中美麗的流星，留下一道耀眼的光芒。月球上沒有大氣層，即便是微小的宇宙灰塵，都能在月球表面留下痕跡。下圖是嫦娥五號接近月球表面時候拍攝的照片，可以看到月球坑坑窪窪的表面。那些小坑就是微隕石的傑作。

嫦娥五號接近月面時候拍攝的照片

阿波羅登月實施之前，人們以為月球上的山體會有很多稜角，與地球上的山體形態不同，因為月球上不存在地球上的風化作用。然而，太空人登上月球之後才發現，月球上的山都很圓滑，原因在於長年累月的宇宙隕石衝擊，磨平了應有的稜角。實際上，那些細細的月壤，也是無數年來微隕石撞擊的結晶。

阿波羅17太空人在月面拍攝的照片

關於隕石對月球的撞擊，有一件非常有趣的事情。阿波羅17是最後一艘在月球登陸的太空船。1972年12月10日，當阿波羅17接近月球時，登陸艙駕駛員哈裡森·施密特看到月球表面出現一處閃光，之後不久他又看到一次閃光。施密特認為，這是連續兩次流星撞擊事件。這可能是人類第一次肉眼觀察到流星對月球的撞擊。

哈裡森·施密特是一位地理學家、大學教授，後來成為新墨西哥州參議院

對月球基地來說，被大塊隕石砸中的可能性很低，畢竟大塊隕石出現的機會不高。真正的危險來自於微隕石。平均下來，每天有總質量達一噸的隕石落到月球表面，其中絕大多數都是極其微小的隕石。質量為一克的微隕石，以10km/s的速度撞向月球表面，其動能比典型的12.7mm狙擊步槍子彈的槍口動能還高兩倍有餘。因此，月球上的建築物必須要考慮對微隕石的防護。

12.7mm口徑狙擊步槍

此外，在建設月球基地時，還要儘量就地取材，從而降低成本。而月壤，就是非常好的月球基地建築材料。

月球表面有厚厚的月壤

綜合上述各種考慮，人們設想了如下圖所示的月球基地結構。首先，基地入口是一個氣密艙（airlock）。太空人在進出基地時，先經過氣密艙，確保內部空氣不會大量散失。氣密艙以內是生活區。在生活區的外部，則使用3D列印技術，覆蓋厚厚的一層月壤，用來做為保護性外殼，抵禦輻射和隕石的撞擊。

月球基地結構圖

在這樣的基地結構中，氣密艙及生活區的設施，都需要從地球帶過來。而月壤列印而成的外殼，當然是就地取材，通過3D印表機器人的勤勞施工，建設完成。從外形來看，月球基地很像北極地區的愛斯基摩人用冰建的冰屋子（igloo）。

近看月球基地的結構

人們在地球已經實驗過"月壤"的3D列印技術。當然，使用的不是從月球帶回來的真·月壤，是用地球材料合成的模擬月壤。

用地球材料模擬的月壤

3D列印的基本思路是將月壤加溫到1000℃左右，加入適當材料後，再將融化的月壤噴出，像紙一樣覆蓋在建築表面，並一層層地反覆覆蓋，最終成型。下圖中的結構是歐洲航天局使用模擬月壤列印出來的。總之，使用月壤建設月球基地是完全可行的。

使用模擬月壤列印出來的結構

對中國來說，迄今為止，我們只獲得了1克的月壤，是1978年美國國家安全顧問布熱津斯基訪華時送的。要想正確地模擬月壤，手頭必須有足夠的月壤。這正是這次嫦娥五號取月壤的意義所在--為未來中國月球基地建設打基礎。

美國送給中國的月壤

鑑於未來中國第一個月球基地很可能設在月球的南極，後面的嫦娥六號還要從月球南極再取一次月壤。而嫦娥七號，則要對南極區域進行細緻考察，為月球站選址做準備。目前地球上所有的月壤列印實驗，都是基於地球環境和模擬月壤進行的，沒人知道在真正月球環境下，低重力、無大氣壓，會出現什麼樣的列印效果。因此。嫦娥八號要在月球上進行月壤3D列印實驗。目前來說，這是已知的第一個月球實地3D列印實驗計劃。

進行3D列印的機器人

等到2030年左右，中國太空人登上月球之後，月宮建設也就為時不遠了。

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