月球基地为什么要建在地下?

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Image caption 月球基地(图片来源:Science Photo Library)

几十年来,科学家和梦想家们一直都在畅想移民月球的美好愿景。从1999《月球基地阿尔法》到月球上的小型采矿殖民地,各种各样的移民方案充斥着各类银屏。

月球移民可以说是人类未来的合理选择。月球与我们同在一个星系,它与地球之间的距离只有23.8万英里(38.3万公里),因此供给物资的难度相对较低。月球的另外一大吸引力在于,那里的氦-3含量相对充裕,而这恰恰是核聚变反应堆的理想燃料。

许多航天项目都从理论上规划了一条路径,希望为人类建立一个永久性的月球定居点。中国曾经表示有意在月球背面建立一个基地。2015年10月,欧洲航天局(ESA)和俄罗斯联邦航天局(Roscosmos)也都表示正在规划一系列探月之旅,评估建立永久定居点的可行性。

Image caption 早期的月球基地创意,这只是苏联艺术家的创作,在实践中或许并不可行(图片来源:Science Photo Library)

然而,这类计划却需要面临巨大的挑战。月球自转一周大约相当于地球上的28天。也就是说,月球上的一晚要持续354小时——比地球上的14天还多。如此漫长的夜晚会导致气温急剧下降。月球赤道上的昼夜温差极大,白天高达116摄氏度(240华氏度),夜间低至-173摄氏度(-279华氏度)。

倘若把基地建在月球的南极或北极,夜晚时间将会缩短。“有很多理由促使我们在月球的两极建设基地,但除了日照时间外,还有其他许多需要考虑的因素”, 负责操纵Telespazio VEGA Deutschland航天器的工程师艾德蒙得·特罗洛普(Edmund Trollope)说。与地球一样,月球的极地也极度寒冷。

在月球的两极,太阳会绕着地平线旋转,而不会升到空中,所以太阳能面板需要安装在侧面(形式类似于外墙),导致结构更加复杂。在赤道上,只需要修建大面积的平整基地便可收集许多热量,但要在极地收集热量,就必须垂直建设太阳能收集器,导致复杂性增加。“如果能巧妙地为基地选址,温差问题便可轻易解决。”德国航天中心研究助理沃尔克·梅瓦德(Volker Maiwald)说。

巨大的昼夜温差意味着月球基地不仅要具备足够的保温性,还要能够抵抗热应力和热膨胀。

热保护

早期的机器人登月计划(例如苏联的Luna计划)都是按照1个月球日(2个地球周)的生存时间设计的。美国航空航天局的“勘探者”计划中使用的着陆器可以在第2个月球日重新启动。然而,着陆器的零部件在夜间遭受的破坏往往导致其无法获得有用的科学数据。

前苏联在20世纪60年代和70年代的Lunokhod太空项目中使用的月球车上,整合了放射性加热元件,并配备了复杂的通风系统,使之可以运转长达11个月。这些登月车会在夜间进入休眠状态,等到可以使用太阳能时再重新开始工作。

Image caption 前苏联的Lunokhold月球车使用了一种独创的方式来产生足够其运转好几天的电量(图片来源:Science Photo Library)

如果要避开剧烈变动的温差,可以将所有的建筑物埋到月球的表层土下面。这些覆盖在月球表面的粉末物质导热系数较低,而且能很好地阻隔太阳辐射。这意味着此类材料具备极强的隔热性。基地所处的地方越深,热保护性就越强。另外,由于基地会受热,而缺乏大气层又导致月球上的导热率很低,所以这种方法还可以进一步降低热应力。

然而,尽管将基地埋在地下从理论上可以接受,但在实际操作过程中,却有可能面临巨大挑战。“我还没有看到哪种设计能够做到这一点。”沃尔克说,“我认为应该是一种自动化‘建筑’设备,并且要通过远程遥控来完成。”

撞击还是覆盖?

另外一种方法是借助着陆过程产生的冲击力来实现这一目的。穿透器可以通过冲击力来刺穿月球表面,已经有多个规模较小的探月任务考虑过这一方案,包括日本的Lunar-A和英国航天局的MoonLite(该项目已被搁置,但穿透器的想法却极具吸引力,因此欧洲航天局考虑将其作为一种高速运载机制,用于对月球或其他天体的地表及地下进行取样和分析)。这一方案的优势在于,基地会在冲击过程中被埋藏到地下,使之在受到保护之前只暴露在相对温和的热力环境中。

但这仍然要面临供电问题,因为常规的穿透器只设计了非常有限的几种方式来利用太阳能。另外还要面临其他一些问题,包括在撞击过程中承受极高的加速度负荷,以及在引导控制过程中实现极高的精度。“既要通过足够的冲击力将一座建筑埋到地下,又要为载人基地配备各种必要的功能,这是非常难以实现的。”特罗洛普说。

Image caption 可能需要把月球的土壤堆在月球基地上,以便达到保护的目的(图片来源:Science Photo Library)月球基地

作为一种备选方案,可能需要将月球土壤堆在基地上面,这可能需要用到液压挖掘机等工程设备。如果采用这种方案,就必须迅速完成堆积过程。

如果月球土壤不能堆积到基地上面,便需要覆盖多层隔热(Multi-Layered Insulation)材料来避免热量散失。为了在寒冷的太空中飞行,宇宙飞船中已经广泛使用了多层隔热材料。

这种方法的优势在于,可以借助太阳能电池板在长达两周的月球日期间收集和存储能量。然而,倘若无法收集足够的电力,就必须考虑其他发电方式。

温差发电机可以在夜间提供能量:虽然效率较低,但由于这种设施没有活动部件,所以维护问题也比较少。另外,放射性同位素温差发电机(RTG)还能提供更高的效率,并使用高浓缩燃料来源。基地既要隔绝辐射,还要允许热传递。如何为发电机提供合适的放射性同位素同样是一大挑战:必须解决从地球发射时所面临的安全风险,以及供应放射性同位素所产生的政治和安全问题。

Image caption 如果要将月球基地埋在月球土壤下面,就必须尽快完成(图片来源:Science Photo Library)

还可以选择核裂变反应堆,但依然需要面对上述问题。

一旦完成开发,核聚变反应堆同样可行,因为月球可以提供相对充裕的氦-3。另外还可以使用锂电池等能量来源,前提是白天收集的太阳能足以支撑长达两周的漫漫长夜。

还有一种想法是通过月球轨道卫星,利用微波或激光将电力传输给月表基地。10年前的一项研究就探索过这一概念。他们认为,想要建设一座大型月球基地,就要配备数百千瓦的发电容量,这就需要在月球轨道上设置一个50千瓦的激光发射器,还要使用直径400米的硅整流二极管天线(这种天线可以将电磁能转化成直流电),而且要在卫星上设置5,000平方米的太阳能发电板。可资对比的是,目前的国际空间站上也只配备了3,300多平方米的太阳能电池板。

尽管建立月球基地需要面临巨大的挑战,必须抵御月球表面严酷的寒夜,但这并非无法克服的困难。为两周的漫漫长夜开发适当的热保护措施以及适宜的发电系统,我们就能在未来20年建立载人月球基地。之后,便可以将目光投向更加遥远的天体。

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(责编:凯露)

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