2023年第十期打造“月球旅店”

2023-10-30

对人类而言，月球是一片充满未知的土地，荒凉、沉闷却又美丽。数千年来，人类对遥远的它着迷并向往，渴望有一天能登上它，揭开它的神秘面纱。1969年7月20日，美国宇航员阿姆斯特朗成功登上月球，成为踏上月球的第一人，为人类的探月史画上了浓墨重彩的一笔。同时，也引出了新的问题：人类能否像在地球上一样在月球上正常生存和生活呢？

月球环境十分恶劣，处处存在对人类生存的威胁。月球没有大气层，来自宇宙的辐射、带电粒子和微流星体到达月球时威慑力丝毫不减。没有大气层的辐射阻隔和保温，导致月球的昼夜温差极大；月球的黑夜可长达两周……如果人类要在如此恶劣的环境下生存，那么对月球基地和住宅的设计、构造、材料、技术的安全性和可靠性的要求都将十分严苛。

人类建设的月球住宅和月球基地（模拟图）

太空舱式的温暖小窝

在登陆月球的初级阶段，人类可以将月球着陆器和使用过的燃料箱变成自己的住宅和生活场所，因为月球着陆器和燃料箱本身就具有防辐射和抵御极端温度等功能。当然，从地球上发射专门用于在月球居住的太空舱也是一个选项，但存在造价费用高昂且内部空间狭窄的弊端。而对于宇航员来说，尽管在太空舱内进行日常活动并不方便，却也比暴露在月表安全且舒适许多。

将宇航员乘坐的太空舱座驾变成住房（模拟图）

充气式太空舱是近些年被重点关注的一种太空舱。相较于金属制成的传统太空舱，充气式太空舱体积小、质量轻，造价也更为便宜。由于在运输的过程中可大幅缩小体积，这种太空舱能为火箭省出大量的空间，这也意味着可以节省燃料和降低发射成本。

充气式太空舱（模拟图）

充气舱由形状记忆材料、充气材料等制成。当充气舱被发射到月球后，在阳光的照射下会逐渐膨胀起来。膨胀后的充气舱相较传统的太空舱而言十分宽敞，可容纳6～12人，内部可分成生活区、工作区、科研区和栽培区等。同时，在舱体的外部还部署有太阳能电站。充气式太空舱还可以与着陆器、月球车或其他舱段连接，便于宇航员生活和工作。此外，将多个充气舱连接在一起还可以建成一个小型的月球基地。这种充气式太空舱有望成为第一批到月球久居的人类的住宅。

洞穴式的野营生活

除了在月球表面布设太空舱，科学家还设想在月球上像原始人般打造洞穴用来居住。月球上的山坡、山脉、峡谷、峭壁、陨石坑等，都是建造洞穴式居住区的理想选址。月表的洞穴式居住区类似我国西北地区的窑洞，月表下的则类似防空洞、地下室和地铁站。

科学家研究发现，在月表下建设洞穴式居住区存在诸多优势：

首先，月壤的导热率低，可以抵御月球表层的极端温度变化。月表的昼夜温差可达340℃左右，而到了月表之下，无论白天还是黑夜，温度都保持在-23℃左右。

其次，月表是一层天然的庇护，可以防止辐射和微流星体，还能大大降低洞穴中空气泄漏的风险。因为除了一些通向月表的必要出口外，月表之下的居住区与外部完全隔绝。

虽然在月表之下居住好处多多，但其建造的过程也相对复杂。人类可以操控挖掘机，采用挖矿一样的方法，挖掘地下洞穴。地下洞穴一旦形成，就必须进行硬化，以避免坍塌。硬化的材料可就地取材，因为月壤的主要成分是二氧化硅，对其进行烧结，就可以起到硬化的作用，还可以在洞穴里留下玻璃般的内表面。除了考虑洞穴的坚固性，还需要注意月球内部温度和压力的变化。月球内部的温度和压力随着深度的增加会逐渐升高，在建造地下居住区时，必须注意这种变化带来的危险。另外，如果需要在地下居住区修建农场，还需要人造阳光——紫外线的参与，这也是在建设之初须考虑的因素。

2009 年初发现的一个熔岩管

月球上有一种奇特的地理构造——熔岩管。当月球上的液态熔岩流流动时，由于表面冷却较快，形成固体硬壳，在表层硬壳的保温作用下，其内部温度高、流速快，从而形成管道，这便是熔岩管。“天窗”是熔岩管顶部坍塌后形成的圆孔。2008年，日本“月球女神号”探测器在月球的马吕斯山地区发现了一个奇怪的洞口，这个洞口就是月球熔岩管的“天窗”。2011年，美国宇航局的月球勘测轨道飞行器对“天窗”进行了更详细的拍摄，发现了65米宽的矿洞和36米以下的矿洞底部。此外，月球上的哈德利山区可能是一个部分有屋顶的熔岩管，其中一些部分已经坍塌。同时，静海地区也可能存在熔岩管。迄今，月球勘测轨道飞行器已经拍摄、探测了200多个“天窗”的图像。这些“天窗”呈现了熔岩管的特征，直径从5米至900米不等。美国“圣杯号”探测器的重力探测表明，月球上存在宽度超过1千米的熔岩管。

通常情况下，月球熔岩管常出现在倾斜的表面上，倾斜的角度从0.4°到6.5°不等，其内部会形成一个巨大的空间，足以容纳整个城市。熔岩管是一座天然的庇护所，能帮助人类免遭宇宙辐射、陨石、微流星体和撞击喷出物等的伤害。它们还可以与月球表面的极端温度变化绝缘，为人类提供一个稳定的环境。同时，这样的地下环境可以用空气制造压力，模仿地球的1个大气压，创造一个可呼吸的大气环境，人类也不需要在洞穴里穿着宇航服了。然而，熔岩管有时会因为自身重力而崩塌，也可能被地震或流星轰击所破坏，如果人类要在熔岩管内部居住，那么这些都是需要考虑的安全因素。

建筑原料就地取材

除了从地球带来太空舱以及在月表下打造“洞穴”，人类还可以用各式各样的建筑材料在月球上修建住宅。为了将对地球原材料的依赖程度降到最低，科学家们提出了以月球自身的资源作为主要材料的设想。其中，“月球混凝土”的概念便基于此被提出。

月球混凝土厂（模拟图）

这些建筑材料包括月球砖、月球混凝土、无水混凝土、芳纶纤维、钢材和铝材等。月球上的岩石、尘埃、风化石都是制造混凝土的材料，与地球上的混凝土成分相同，月球混凝土的主要成分也是水、骨料和水泥。骨料可以是月球岩石和表土；水泥将通过对含钙量高的月球岩石进行选矿和制造；而水则可以从月球上采集，也可以将月壤中产生的氧气和氢气结合起来，从而产生水。

月球混凝土作为月球基地的建筑材料具有很多优势：

首先，月球混凝土的生产原料基本都来源于月球本身，这样既可以减少经费，还能提高效率。

其次，由于基本是由本土材料构成的，月球混凝土的温度耐受范围很大，在-150～120℃的温度范围内，其结构特效都不会遭到破坏。尽管一部分水会从材料中蒸发，但是混凝土固化过程中并不会损失化学合成的水。

最后，月球混凝土还会吸收伽马射线，使人类居住区更加安全。

为了使月球混凝土的强度进一步提升，还可以往其中添加一些抗拉纤维。玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，抗拉强度高，通常用作复合材料中的增强材料。月球玻璃纤维可以由风化土形成，将其添加在月球混凝土中，可以使月球基地更加坚固。另一种抗拉材料——芳纶，也可以添加到月球混凝土中。

芳纶应用广泛，从自行车轮胎、赛车帆到防弹背心，都有它的身影。它的抗拉强度与质量之比很高，强度是钢的5倍，其质量很轻，也很坚韧。

在月球基地建设初期，宇航员可以将芳纶运送到月球。

除了混凝土，在月表建造月球基地还可能需要大量的“砖块”。月壤是二氧化硅和一些含铁化合物的混合物，利用微波能量可以将这些混合物熔化成玻璃状的固体，作为修建月球基地的“砖块”。这些“砖块”的机械性能很好，是一种应用前景广阔的制造刚性结构的材料。

3D打印高科技

3D打印技术是一种技术成熟、简单易行、廉价高效的方法。在地球上，3D 打印技术可以用来制作零件、工具、枪炮、卫星部件、火箭发动机、人工血管、人体组织等等，甚至可用来打印房屋。

在月球上也可以用3D打印来建造基地。月球风化层是用于3D打印的好材料，当其被加热到 1200～1500℃（略低于熔点）时，材料中的纳米颗粒粉尘会融合成一种类似陶瓷的固体，用其打印的房屋不仅可以提供绝缘辐射保护，还可以抵御外界极端温度变化带来的危害。除此之外，将月球材料与氧化镁混合也可以作为3D打印材料。打印时使用黏结盐，可将两种混合物打印成石头状固体。