文|核物理學(xué)博士、瞰創(chuàng)新專欄撰稿人 Pierre Henriquet
編輯|Meister Xia
導(dǎo)讀
本世紀(jì)的阿爾忒彌斯載人登月計劃是一個長期、龐大的項目，目的是逐步在月球表面建立一個基地，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，人類無法在月球上生存。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：
- 美國航空航天局計劃于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劃——一項讓人類重返月球的長期項目，將建設(shè)月球軌道空間站和可供人類居住的月球基地。
- 項目的實施意味著人類必須克服月球環(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)新對于人類在月球上定居至關(guān)重要。
- 阿爾忒彌斯計劃需要大量的能源，可以由核裂變動力系統(tǒng)提供。
- 人類重返月球的另一個目的是開采氧、硅、鋁、鐵、氦-3等資源。
2022年11月16日，美國巨型SLS火箭從佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心的39號發(fā)射架點火升空，將獵戶座飛船發(fā)射到繞月球飛行的軌道上。該新型無人飛船上裝有由美國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，取得了圓滿成功。不過，這只是為2024年（屆時發(fā)射獵戶座載人飛船）和2025年（屆時一男一女將再次踏上月球）的人類重返月球計劃做準(zhǔn)備的第一步。
與20世紀(jì)70年代的阿波羅計劃不同，本世紀(jì)的阿爾忒彌斯載人登月計劃是一個長期、龐大的項目，先會將一個類似于國際空間站的月球空間站送入月球軌道（目前已有幾個模塊完成建設(shè)），隨后逐步在月球表面建立一個基地，使得宇航員既能短期登陸月球，也能永久居住。
實施這一雄心勃勃的計劃，意味著要在人類所知的最極端的環(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)勎磥韼资甑窃氯蝿?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、維持一個穩(wěn)定安全的人類居住區(qū)，首先要分析月球的環(huán)境，了解其對建筑物和人類活動的限制。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、建筑結(jié)構(gòu)和材料阻力的相關(guān)計算都必須根據(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)兩個地球周，夜晚同樣漫長。月球由于沒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以全速猛烈地撞擊月球，且月球的表面時刻暴露在宇宙射線之下。宇宙射線是高能粒子流，人體過量照射會導(dǎo)致燒傷、不孕不育和癌癥。
目前有幾種解決上述問題的方案。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（見下圖）。然而，阿爾忒彌斯計劃目前計劃在月球的南極進(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
有了登月項目和月球基地，人類便能在月球表面活動，而基地建筑物的設(shè)計必須從月球環(huán)境的實際情況出發(fā)。2016年，歐洲航天局提出了“月球村”建設(shè)項目。其設(shè)計構(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，國際空間站上安裝測試了一個名為BEAM（畢格羅可擴(kuò)展活動模塊）的充氣模塊。法國的斯巴達(dá)太空公司正在開發(fā)一種可充氣的活動住房，充當(dāng)遠(yuǎn)離主基地的科考任務(wù)的臨時大本營。
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，再噴灑到充氣模塊上構(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，任何一個微小的動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。不過，雖然機(jī)器人敏捷高效，由于需要的數(shù)量眾多，仍有許多問題需要通過技術(shù)創(chuàng)新和突破解決。比如機(jī)械齒輪杠桿會因為粘附表面靜電和極為粗糙的月球塵埃顆粒而失效，而且傳統(tǒng)的潤滑劑在太空真空環(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)的另一個關(guān)鍵問題是能源供應(yīng)。阿爾忒彌斯任務(wù)有一個優(yōu)勢：其所處的地帶總有陽光照耀，太陽下落的最低點也在地平線之上，因此可以在隕石坑的向陽面部署大量的太陽能電池板。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，美國國家航空航天局和能源部選定了三個核裂變動力系統(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、月球上哪些活動能耗龐大？
資源開采——這是人類重返月球的目的之一。開采的主要的目標(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、硅等有價值的礦產(chǎn)資源，還有鋁和鐵等各種金屬元素。不過從長遠(yuǎn)來看，在月球上開采氦-3更有意義，可用于熱核聚變反應(yīng)堆。
如果人類要在地球的天然衛(wèi)星上長時間停留，就必須開發(fā)更多技術(shù)和產(chǎn)業(yè)來適應(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，人類首先要實現(xiàn)在月球上長期存活，才有必要探索上述這些后續(xù)問題。
待人類在月球上安居樂業(yè)的那一天到來，還將有一個行業(yè)值得我們拭目以待，那就是占世界GDP近7%的重量級行業(yè)：旅游業(yè)。未來，隨著繞月飛行、登陸月球表面、“短期游”、“深度游”等旅游項目的開發(fā)，月球很有可能成為22世紀(jì)不可錯過的宇宙名勝。