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    科学来分析下:人类建造月球基地究竟有多难?

    种别:社会新闻发布人:联迪发布时间:2019-02⑴8

    据国外媒体报导,1975年,在阿波罗号最后1次登月的第3年,《太空:1999》首次在英国电视节目中播出,这部电视剧描写了1次核爆炸破坏了月球,1支由300多人组成的国际月球殖民者离开了月球轨道,开始了1段未知的太空探索之旅。

    这部电视剧对当时年轻时期的埃隆·马斯克(Elon Musk)留下了深入印象,2017年8月,马斯克表露了他们在月球建造人类基地的计划,并将其命名为“月球基地阿尔法”,这个名字源自电视剧《太空:1999》中的太空月球基地。马斯克在推特上称,这部电视剧并未带给观众轰动效应,但是他个人非常喜欢。

    据悉,并非只有SpaceX公司制定了人类登月计划。中国国家航天局(CNSA)宣布成功完成“嫦娥4号”探月任务的新阶段任务,之前“嫦娥4号”成为首个在月球背面软着陆的航天器。

    在全球范围内,人类月球登陆50年以后,建造月球基地的可行性逐渐成形。具有讽刺意味的是,虽然只有美国在月球上留下了足迹,但是美国人现在不能不加倍努力迎头追逐。到2018年8月美国才宣布建造1个永久性月球基地的计划,在此之前美国宇航局关注的焦点是火星,相比之下,欧洲航天局已领先1步。

    月球村

    欧洲航天局宣布计划建造1个永久性月球基地,在新任局长简·韦尔纳的提倡下,提出“月球村”概念将包括各种群体,其中包括:科学家、艺术家、公共组织和私人组织。月球村可用于天文研究、旅游或地质勘探地球上短缺矿物质。

    同时,美国麻省理工学院媒体实验室空间探索计划开创人阿里尔·埃克布劳也希望“空间民主化”,为此他召集了1支多学科研究小组,具有了机器人、合成神经生物、建筑、艺术、空间和设计等技术气力。

    并非所有人都这样想,但是欧洲航天局科学顾问艾丹·考利对韦尔纳的观点表示认可,由于他是首批在欧洲航天局总部研究月球技术的专家之1。他说:“最初每一个人都在看着我,好像我有两颗脑袋1样,因此对我而言,看到人们对月球的关注越来越多,我感到非常满足,这也证实了人们对月球探索意义的认可。”

    美国宇航局计划在2030年前将宇航员送上月球表面,并计划在月球轨道建造1个叫做“网关(Gateway)”的月球轨道平台,目前商业公司也开始准备登陆月球展开探索计划。例如:“蓝色起源”公司正在与OHB、MT Aerospace建立合作关系,计划发射“蓝色月球”太空货船登陆月球表面。但不管哪个组织最早到达月球表面,优先任务是幸存下来,到目前为止,人类在月球表面生活的最长时间只有3天。如果人类计划停留更长时间,月球其实不是最受欢迎的目的地。

    ▲欧洲航天局宣布计划建造1个永久性月球基地

    月球目的地

    月球表面温度在零下127摄氏度至零下173摄氏度之间,存在着1定的辐射等级,处于低重力条件,其重力仅是地球的6分之1。1个月球日大约相当于29个地球日,这意味着登陆月球的探测器将经历延续29个的白天,然后是延续29个的黑夜,太阳能充电可能成为1个问题。因此,月球前哨基地的任何新技术都必须适应这些条件。

    德国太空专家皮埃尔·亚历克西斯·朱梅尔称,这项太空比赛将延续5年时间,由于月球比赛的目标是将最好的团队想法带到月球表面。

    基于这些努力,“蓝色起源”、空中客车太空防务及航天公司、欧洲航天局在内的几个机构近期成立了1个叫做“月球比赛”的非营利组织,其目的是鼓励企业在制造、能源生产、水资源开发(使用月球水灌装瓶子)和生物制造(保持第1个月球温室)等领域开发技术,并将在2019年10月在国际宇航大会上正式启动。

    朱梅尔是空中客车防务及航天公司太空工程师、“月球比赛”联合开创人,他指出,我们将在今年3月发布相干指导方针和规则,这项比赛将延续5年时间,由于月球比赛的目标是将最好的团体理念利用于月球表面开发。

    “月球比赛”技术原型是在月球条件下进行测试,并构建在月球任务基础之上。朱梅尔表示,这项太空任务主要依托多家太空机构协作完成,我们最初计划在2024⑵025年实现。

    建造月球家园

    虽然早期月球基地的概念富有艺术想象力,但实际将遭到现实条件的束缚限制,毕竟到月球旅行本钱非常昂贵。太空负载越重,所需燃料就越多,相应的本钱也越高。利用月球现有资源建造1个生活空间是具故意义的,有可能使用熔岩管,在月球早期火山活动构成的隧道作为避难所,获得月球表面之下的冰冻水资源。但1个更加直接的计划是利用月球风化层(1种类似于地球火山沙的细黑玄武岩沙)建造1个栖息地。

    科隆大学马蒂亚斯·斯佩尔教授与德国航天机构DLR合作,使用火山粉末制造砖块,月球风化层摹拟物是通过1种叫做烤结处理的进程制造的,在烧结进程中,聚焦阳光或激光将相干材料粘合在1起。他使用3D打印机制作不同形状的砖块,并视察哪类效果最好。斯佩尔说:“我们可使用当前技术和建造外形来构造建筑元素,我们其实不是在玩乐高积木,但是我们在制造扣锁砖块。”

    这些砖块将建造1个类似冰屋的建筑结构,这样它便可以抵抗来自顶部的额外压力。斯佩尔说:“冰屋顶部的压力来自1层1米左右厚的疏松风化层,由于月球没有风可以将这些风化层物质吹散,但同时它们可作为1种天然的防辐射保护层。你需要带上1个1平方米或更大的透镜来捕捉太阳光线,从而实现月球灰尘的3D烧结和打印。以后你需要1位宇航员,或1个机器人,将这些碎片拼凑起来,终究构成1个人类定居点,月球风化层内部氧气也能够提取出来供人类呼吸。”

    斯佩尔说:“但是仅仅建造1个月球人类定居点将是1个缓慢的进程,做1块砖大约需要5个小时,建造1个冰屋需要1万块砖,这需要几个月的时间。”

    如果投入使用更多的透镜,并采取机器人建造月球人类定居点,相应的建造时间可以缩短,但这是1个可行的计划。月球风化层可以用于建造像混凝土1样坚固的建筑。当前的技术仅能提供混凝土5分之1的强度,大约相当于石膏的强度,因此需要进1步开发设计才能到达终究理想的强度。下1个阶段是评估,荣幸的是,欧洲航天局大型月球设施将于今年晚些时候开始建设,该设施可以为未来人类月球生活提供技术和生存条件。

    如何幸存

    由于科学家在月球两极发现了水冰证据,并在2018年8月取得美国宇航局的终究确认,意味着任何月球基地都可能在月球两极地区建造。月球风化层内部的氧气也能够被提取供人类呼吸,最可能的来源是钛铁矿(FeTiO3),当钛铁矿在大约1000摄氏度时与氢气结合,将产生水蒸汽,以后水蒸汽分离处理可以产生氢和氧。

    首先,宇航员需要食品和饮料,“嫦娥4号”在月球实现种子发芽,令研究人员感到兴奋,事实上在太空中生产可延续食品其实不是1个新想法。该想法最初源自于1982年,当时前苏联宇航员在“礼炮7号”空间站上种植拟南芥。

    2010年,美国亚利桑那大学开发1种“月球温室”原型——1种水培系统,使用5.5米长的薄膜覆盖管、水冷式钠蒸汽灯和“封套”保存种子,利于宇航员呼出的2氧化碳和排出的尿液提供水份,光纤线缆提供阳光。

    能量

    新能源技术是人类在月球上生活的关键,地球上的燃料电池需要氢和氧(通常来自空气)之间的化学反应来产生电能,而水是副产物。虽然月球没有大气层,但仍残留部份大气成份。

    负责开发这些最新技术的考利说:“你可以将月球上的水资源进行分解,在夜晚重新组合产生电能。白天我们具有大量的太阳能,剩余的太阳能用于分离水,构成氢和氧,因此这是我们在月球上用于保持长时间勘测任务的独特工具。”

    利用类似热泵的处理进程存储热能颇具潜力,考利说:“月球上其实不存在对流层,由于没有风,所以来自太阳的热量停留在风化层中。我们可使用透镜或镜子将阳光聚焦在地面上,利用这些资源来保持人类生活基地的温度或进行发电。”

    1旦这些技术得以完善并进行测试,并确保在月球条件下工作,宇航员将能够建立1个月球基地,这比你想象的要实现得更快。