月球基地為什麼要建在地下?

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Image caption 月球基地(圖片來源:Science Photo Library)

幾十年來,科學家和夢想家們一直都在暢想移民月球的美好願景。從1999《月球基地阿爾法》到月球上的小型採礦殖民地,各種各樣的移民方案充斥著各類銀屏。

月球移民可以說是人類未來的合理選擇。月球與我們同在一個星系,它與地球之間的距離只有23.8萬英里(38.3萬公里),因此供給物資的難度相對較低。月球的另外一大吸引力在於,那裏的氦-3含量相對充裕,而這恰恰是核聚變反應堆的理想燃料。

許多航天項目都從理論上規劃了一條路徑,希望為人類建立一個永久性的月球定居點。中國曾經表示有意在月球背面建立一個基地。2015年10月,歐洲航天局(ESA)和俄羅斯聯邦航天局(Roscosmos)也都表示正在規劃一系列探月之旅,評估建立永久定居點的可行性。

Image caption 早期的月球基地創意,這只是蘇聯藝術家的創作,在實踐中或許並不可行(圖片來源:Science Photo Library)

然而,這類計劃卻需要面臨巨大的挑戰。月球自轉一周大約相當於地球上的28天。也就是說,月球上的一晚要持續354小時——比地球上的14天還多。如此漫長的夜晚會導致氣溫急劇下降。月球赤道上的晝夜溫差極大,白天高達116攝氏度(240華氏度),夜間低至-173攝氏度(-279華氏度)。

倘若把基地建在月球的南極或北極,夜晚時間將會縮短。「有很多理由促使我們在月球的兩極建設基地,但除了日照時間外,還有其他許多需要考慮的因素」, 負責操縱Telespazio VEGA Deutschland航天器的工程師艾德蒙得·特羅洛普(Edmund Trollope)說。與地球一樣,月球的極地也極度寒冷。

在月球的兩極,太陽會繞著地平線旋轉,而不會升到空中,所以太陽能面板需要安裝在側面(形式類似於外牆),導致結構更加複雜。在赤道上,只需要修建大面積的平整基地便可收集許多熱量,但要在極地收集熱量,就必須垂直建設太陽能收集器,導致複雜性增加。「如果能巧妙地為基地選址,溫差問題便可輕易解決。」德國航天中心研究助理沃爾克·梅瓦德(Volker Maiwald)說。

巨大的晝夜溫差意味著月球基地不僅要具備足夠的保溫性,還要能夠抵抗熱應力和熱膨脹。

熱保護

早期的機器人登月計劃(例如蘇聯的Luna計劃)都是按照1個月球日(2個地球周)的生存時間設計的。美國航空航天局的「勘探者」計劃中使用的著陸器可以在第2個月球日重新啟動。然而,著陸器的零部件在夜間遭受的破壞往往導致其無法獲得有用的科學數據。

前蘇聯在20世紀60年代和70年代的Lunokhod太空項目中使用的月球車上,整合了放射性加熱元件,並配備了複雜的通風系統,使之可以運轉長達11個月。這些登月車會在夜間進入休眠狀態,等到可以使用太陽能時再重新開始工作。

Image caption 前蘇聯的Lunokhold月球車使用了一種獨創的方式來產生足夠其運轉好幾天的電量(圖片來源:Science Photo Library)

如果要避開劇烈變動的溫差,可以將所有的建築物埋到月球的表層土下面。這些覆蓋在月球表面的粉末物質導熱係數較低,而且能很好地阻隔太陽輻射。這意味著此類材料具備極強的隔熱性。基地所處的地方越深,熱保護性就越強。另外,由於基地會受熱,而缺乏大氣層又導致月球上的導熱率很低,所以這種方法還可以進一步降低熱應力。

然而,儘管將基地埋在地下從理論上可以接受,但在實際操作過程中,卻有可能面臨巨大挑戰。「我還沒有看到哪種設計能夠做到這一點。」沃爾克說,「我認為應該是一種自動化『建築』設備,並且要通過遠程遙控來完成。」

撞擊還是覆蓋?

另外一種方法是借助著陸過程產生的衝擊力來實現這一目的。穿透器可以通過衝擊力來刺穿月球表面,已經有多個規模較小的探月任務考慮過這一方案,包括日本的Lunar-A和英國航天局的MoonLite(該項目已被擱置,但穿透器的想法卻極具吸引力,因此歐洲航天局考慮將其作為一種高速運載機制,用於對月球或其他天體的地表及地下進行取樣和分析)。這一方案的優勢在於,基地會在衝擊過程中被埋藏到地下,使之在受到保護之前只暴露在相對溫和的熱力環境中。

但這仍然要面臨供電問題,因為常規的穿透器只設計了非常有限的幾種方式來利用太陽能。另外還要面臨其他一些問題,包括在撞擊過程中承受極高的加速度負荷,以及在引導控制過程中實現極高的精度。「既要通過足夠的衝擊力將一座建築埋到地下,又要為載人基地配備各種必要的功能,這是非常難以實現的。」特羅洛普說。

Image caption 可能需要把月球的土壤堆在月球基地上,以便達到保護的目的(圖片來源:Science Photo Library)月球基地

作為一種備選方案,可能需要將月球土壤堆在基地上面,這可能需要用到液壓挖掘機等工程設備。如果採用這種方案,就必須迅速完成堆積過程。

如果月球土壤不能堆積到基地上面,便需要覆蓋多層隔熱(Multi-Layered Insulation)材料來避免熱量散失。為了在寒冷的太空中飛行,宇宙飛船中已經廣泛使用了多層隔熱材料。

這種方法的優勢在於,可以借助太陽能電池板在長達兩周的月球日期間收集和存儲能量。然而,倘若無法收集足夠的電力,就必須考慮其他發電方式。

溫差發電機可以在夜間提供能量:雖然效率較低,但由於這種設施沒有活動部件,所以維護問題也比較少。另外,放射性同位素溫差發電機(RTG)還能提供更高的效率,並使用高濃縮燃料來源。基地既要隔絕輻射,還要允許熱傳遞。如何為發電機提供合適的放射性同位素同樣是一大挑戰:必須解決從地球發射時所面臨的安全風險,以及供應放射性同位素所產生的政治和安全問題。

Image caption 如果要將月球基地埋在月球土壤下面,就必須盡快完成(圖片來源:Science Photo Library)

還可以選擇核裂變反應堆,但依然需要面對上述問題。

一旦完成開發,核聚變反應堆同樣可行,因為月球可以提供相對充裕的氦-3。另外還可以使用鋰電池等能量來源,前提是白天收集的太陽能足以支撐長達兩周的漫漫長夜。

還有一種想法是通過月球軌道衛星,利用微波或激光將電力傳輸給月表基地。10年前的一項研究就探索過這一概念。他們認為,想要建設一座大型月球基地,就要配備數百千瓦的發電容量,這就需要在月球軌道上設置一個50千瓦的激光發射器,還要使用直徑400米的硅整流二極管天線(這種天線可以將電磁能轉化成直流電),而且要在衛星上設置5,000平方米的太陽能發電板。可資對比的是,目前的國際空間站上也只配備了3,300多平方米的太陽能電池板。

儘管建立月球基地需要面臨巨大的挑戰,必須抵禦月球表面嚴酷的寒夜,但這並非無法克服的困難。為兩周的漫漫長夜開發適當的熱保護措施以及適宜的發電系統,我們就能在未來20年建立載人月球基地。之後,便可以將目光投向更加遙遠的天體。

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(責編:凱露)

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