文|核物理學(xué)博士、瞰創(chuàng)新專(zhuān)欄撰稿人  Pierre Henriquet

編輯|Meister Xia

導(dǎo)讀

本世紀(jì)的阿爾忒彌斯載人登月計(jì)劃是一個(gè)長(zhǎng)期、龐大的項(xiàng)目，目的是逐步在月球表面建立一個(gè)基地，使得宇航員能短期和永久的居住在月球上。月球環(huán)境嚴(yán)酷惡劣，人類(lèi)無(wú)法在月球上生存。如何保障宇航員在月球惡劣環(huán)境中的生存？登月任務(wù)將面臨怎樣的技術(shù)和工程挑戰(zhàn)？

一覽：

• 美國(guó)航空航天局計(jì)劃于2024-2025年再次將宇航員送上月球。該任務(wù)隸屬于阿爾忒彌斯計(jì)劃——一項(xiàng)讓人類(lèi)重返月球的長(zhǎng)期項(xiàng)目，將建設(shè)月球軌道空間站和可供人類(lèi)居住的月球基地。
• 項(xiàng)目的實(shí)施意味著人類(lèi)必須克服月球環(huán)境的限制：比地球弱6倍的引力、極端的溫度、隨時(shí)隨地可能降臨的隕石雨等等。
• 因此，機(jī)器人技術(shù)、新型技術(shù)、工業(yè)創(chuàng)新對(duì)于人類(lèi)在月球上定居至關(guān)重要。
• 阿爾忒彌斯計(jì)劃需要大量的能源，可以由核裂變動(dòng)力系統(tǒng)提供。
• 人類(lèi)重返月球的另一個(gè)目的是開(kāi)采氧、硅、鋁、鐵、氦-3等資源。

2022年11月16日，美國(guó)巨型SLS火箭從佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心的39號(hào)發(fā)射架點(diǎn)火升空，將獵戶(hù)座飛船發(fā)射到繞月球飛行的軌道上。該新型無(wú)人飛船上裝有由美國(guó)航天局研制的宜居艙和歐洲航天局研制的服務(wù)艙。

此次發(fā)射任務(wù)名為阿爾忒彌斯一號(hào)，取得了圓滿(mǎn)成功。不過(guò)，這只是為2024年（屆時(shí)發(fā)射獵戶(hù)座載人飛船）和2025年（屆時(shí)一男一女將再次踏上月球）的人類(lèi)重返月球計(jì)劃做準(zhǔn)備的第一步。

與20世紀(jì)70年代的阿波羅計(jì)劃不同，本世紀(jì)的阿爾忒彌斯載人登月計(jì)劃是一個(gè)長(zhǎng)期、龐大的項(xiàng)目，先會(huì)將一個(gè)類(lèi)似于國(guó)際空間站的月球空間站送入月球軌道（目前已有幾個(gè)模塊完成建設(shè)），隨后逐步在月球表面建立一個(gè)基地，使得宇航員既能短期登陸月球，也能永久居住。

實(shí)施這一雄心勃勃的計(jì)劃，意味著要在人類(lèi)所知的最極端的環(huán)境中建設(shè)居住區(qū)，保障宇航員在月球惡劣環(huán)境中的生存。今天，讓我們談?wù)勎磥?lái)幾十年登月任務(wù)將面臨的技術(shù)和工程挑戰(zhàn)。

01、征服惡劣的月球環(huán)境

建造、維持一個(gè)穩(wěn)定安全的人類(lèi)居住區(qū)，首先要分析月球的環(huán)境，了解其對(duì)建筑物和人類(lèi)活動(dòng)的限制。由于月球比地球小、質(zhì)量較低，引力比地球弱六倍，因此建筑設(shè)計(jì)、建筑結(jié)構(gòu)和材料阻力的相關(guān)計(jì)算都必須根據(jù)月球情況仔細(xì)調(diào)整。

此外，月球自轉(zhuǎn)非常緩慢，白晝大約持續(xù)兩個(gè)地球周，夜晚同樣漫長(zhǎng)。月球由于沒(méi)有大氣層在明暗面之間均衡調(diào)節(jié)溫度，地表溫度白天可高至120°C，晚上低至-250°C！缺乏大氣層還意味著隕石會(huì)以全速猛烈地撞擊月球，且月球的表面時(shí)刻暴露在宇宙射線(xiàn)之下。宇宙射線(xiàn)是高能粒子流，人體過(guò)量照射會(huì)導(dǎo)致燒傷、不孕不育和癌癥。

目前有幾種解決上述問(wèn)題的方案。一是在月球遠(yuǎn)古形成的巨大熔巖隧道中建設(shè)居住區(qū)，為宇航員提供安全的環(huán)境（見(jiàn)下圖）。然而，阿爾忒彌斯計(jì)劃目前計(jì)劃在月球的南極進(jìn)行建設(shè)，但該地區(qū)尚未發(fā)現(xiàn)巨大的地下隧道。

02、登月引領(lǐng)航天業(yè)新趨勢(shì)

有了登月項(xiàng)目和月球基地，人類(lèi)便能在月球表面活動(dòng)，而基地建筑物的設(shè)計(jì)必須從月球環(huán)境的實(shí)際情況出發(fā)。2016年，歐洲航天局提出了“月球村”建設(shè)項(xiàng)目。其設(shè)計(jì)構(gòu)想是在月球表面安放充氣模塊，然后由機(jī)器人在模塊表面上覆蓋一層以月球風(fēng)化層為原料的厚混凝土。

充氣結(jié)構(gòu)模塊在航天領(lǐng)域算不上新興事物。2016年，國(guó)際空間站上安裝測(cè)試了一個(gè)名為BEAM（畢格羅可擴(kuò)展活動(dòng)模塊）的充氣模塊。法國(guó)的斯巴達(dá)太空公司正在開(kāi)發(fā)一種可充氣的活動(dòng)住房，充當(dāng)遠(yuǎn)離主基地的科考任務(wù)的臨時(shí)大本營(yíng)。

歐洲航天局設(shè)想的月球村要大量地使用具備3D打印功能的機(jī)器人。這些機(jī)器人可以采集月球風(fēng)化層，將其與黏合劑混合，制成糊狀物，再?lài)姙⒌匠錃饽K上構(gòu)建保護(hù)層，讓宇航員在建筑物內(nèi)安全生活。

機(jī)器人有望在月球建設(shè)中發(fā)揮重要作用。月球上，任何一個(gè)微小的動(dòng)作都有可能釀成致命事故，應(yīng)盡量派遣機(jī)器人進(jìn)行月表活動(dòng)。不過(guò)，雖然機(jī)器人敏捷高效，由于需要的數(shù)量眾多，仍有許多問(wèn)題需要通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和突破解決。比如機(jī)械齒輪杠桿會(huì)因?yàn)檎掣奖砻骒o電和極為粗糙的月球塵埃顆粒而失效，而且傳統(tǒng)的潤(rùn)滑劑在太空真空環(huán)境中極容易干燥揮發(fā)。

“機(jī)器人有望在月球建設(shè)中發(fā)揮重要作用?！?/p>

月球任務(wù)的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是能源供應(yīng)。阿爾忒彌斯任務(wù)有一個(gè)優(yōu)勢(shì)：其所處的地帶總有陽(yáng)光照耀，太陽(yáng)下落的最低點(diǎn)也在地平線(xiàn)之上，因此可以在隕石坑的向陽(yáng)面部署大量的太陽(yáng)能電池板。但隨著基地的擴(kuò)充，肯定需要建設(shè)緊湊小型核電站作為補(bǔ)充。2022年6月，美國(guó)國(guó)家航空航天局和能源部選定了三個(gè)核裂變動(dòng)力系統(tǒng)方案：其中一種有望在2020年代末完成研發(fā)，在月球上示范。

03、月球上哪些活動(dòng)能耗龐大？

資源開(kāi)采——這是人類(lèi)重返月球的目的之一。開(kāi)采的主要的目標(biāo)資源是水，既月球兩極的隕石坑底部大量的冰，可用于月球上的食品加工和農(nóng)業(yè)，還可用于制備氧和液氫，作為從月球起飛的火箭的燃料。

月球土壤富含氧、硅等有價(jià)值的礦產(chǎn)資源，還有鋁和鐵等各種金屬元素。不過(guò)從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，在月球上開(kāi)采氦-3更有意義，可用于熱核聚變反應(yīng)堆。

如果人類(lèi)要在地球的天然衛(wèi)星上長(zhǎng)時(shí)間停留，就必須開(kāi)發(fā)更多技術(shù)和產(chǎn)業(yè)來(lái)適應(yīng)月球的環(huán)境。醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)和生物技術(shù)都是至關(guān)重要的。不過(guò)，人類(lèi)首先要實(shí)現(xiàn)在月球上長(zhǎng)期存活，才有必要探索上述這些后續(xù)問(wèn)題。

待人類(lèi)在月球上安居樂(lè)業(yè)的那一天到來(lái)，還將有一個(gè)行業(yè)值得我們拭目以待，那就是占世界GDP近7%的重量級(jí)行業(yè)：旅游業(yè)。未來(lái)，隨著繞月飛行、登陸月球表面、“短期游”、“深度游”等旅游項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，月球很有可能成為22世紀(jì)不可錯(cuò)過(guò)的宇宙名勝。