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人类建立月球基地,要做哪些准备
www.zgxzw.com  2019/1/13 21:34:17  来源:本站
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1月3日,由我国自主研制的嫦娥四号探测器在月球背面软着陆成功,成为世界首个在月球背面着陆的航天器。距离上一轮太空竞赛落幕半个世纪之后,人们对地球天然卫星的探索热情被重新点燃。

继嫦娥四号之后,美国、印度、日本、俄罗斯等国都在计划发射月球着陆器,多项登月任务已处于准备阶段。不少科学家认为,人类正迎来月球探索“复兴潮”。

人类对月球的探索始于20世纪中叶,以1969年“阿波罗11号”首次完成载人登月达到高潮,之后渐渐陷入沉寂。近20年来,各国的探月热度有所回升。1990年至今,美国、日本、中国、印度和欧洲共发射了十多个绕月轨道飞行器。

2013年,中国的嫦娥三号探测器登陆月球,成为自上世纪70年代以来第一个执行登月任务的探测器。嫦娥四号紧随其后,并首次在月球背面登陆,将对陨石坑密布的月球背面地质状况展开科学研究。俄罗斯月球着陆器计划将于2022年至2023年开始实施,欧洲航天局也将参与其中。

人类重返月球的势头正在上升,与再来一次“阿波罗计划”相比,航天机构更倾向于合作建立一个半永久性的月球基地——“月球村”。要实现这个目标,人类需要做哪些准备呢?

采掘水矿

建立月球基地的第一个挑战就是采掘水。阿波罗计划从月球赤道上收集的样本显示,我们地球的卫星是一个干燥的不毛之地。直到十年前,科学家发现月球极地有一块块的冰,“改变了一切”。

现在,研究人员还不清楚冰具体在哪里、有多厚,是和土壤混在一起还是层层叠加的。预计明年发射的印度“月船2号”探测器和预计2022年发射的俄罗斯“月球27号”着陆器将着力回答这些问题。俄罗斯的着陆器会携带欧洲航天局(ESA)设计的2米长的钻头,以及一套实验设备,来研究月球水的来源和丰度。

美国国家航空航天局(NASA)也看上了月球水,已经委托几家公司开发可以携带采掘设备的月球探测器,最早明年就开始动工。美国科罗拉多矿业学院的航空科学家乔治·佐沃斯说,一个四人居住的人类基地所需要的水可以忽略不计——可能每年十几吨。月球上有足够多的水,“根据目前的数据估计,可能两极各有100亿吨。”他说。

大部分的冰都会被采掘出来用作燃料。根据佐沃斯的计算,矿业公司每年只需采掘1000吨左右的水,并将其电解成氢和氧,用作燃料就可以获利。月球的低重力意味着从月球给长距离太空旅行提供补给,比在地球补给更便宜。以一次往返月球的任务为例,如果在月球上加一次燃料,那么成本只是在地球上加满燃料往返的五十分之一。

去年8月,根据印度“月船1号”的数据,科学家发现月球冰全部存在于永远处在阴影中的月球坑里。这些温度为-249℃的月球坑,是太阳系中自然形成的最冷的地方。挖掘器械需要热量和能量才能采出这些水,并将其转换成燃料。因为基于自然衰变产热的钚基电池对私营公司来说太贵了,所以月球采掘可能必须要利用太阳的能量。

挪威南部山谷小镇尤坎将为此提供灵感。2013年,人们在一座山上架设了一面巨型镜子俯瞰小镇,为冬天又阴又冷的中央广场照出一块明媚之地。佐沃斯说,月球冰的采掘者希望能在月球上效仿此举,高山上的阳光可以直接折射到月球坑里,用来加热冰并将其转化成蒸汽。然后,冷凝水就被转移到处理厂中,借助太阳能分解成氢气和氧气。这些气体会被储存起来,用作燃料或是放到燃料电池里供能。

靠土吃土

如果无法获得冰,那么月球上还有另一种水源——月球土壤,又称“表岩屑”。表岩屑里包含了硅和金属氧化物,平均含氧量为43%,在月球的任何地方都能找到。从土壤里提取的氧可以为远离极地、具有科学或经济价值的基地提供能量,并产生有用的副产物,如稀有金属等。

表岩屑并不会轻易献出它的“财富”,要把氧从化学键中释放出来,比加热冰更耗能。理论上说,反应器可以用大型镜子将太阳光折射到一个比信封稍大一点的炉子上,将月尘加热到超过900℃,直到它发亮为止。在这一温度下,从地球带上去的氢气或碳可以把氧从矿物中剥离出来,并和氢元素结合形成水。

2010年在夏威夷使用模拟月球表岩屑进行的实地测试,证明这一操作是可行的,但是并没有测试低重力和真空的环境。“这基本上是已经证实的可行技术,几年内就可以准备就绪了。”NASA肯尼迪航天中心的高级技术员罗伯特·穆勒说。

研究人员希望能再改进一下这项技术,减少必须从地球带上去的东西。在意大利米兰理工大学,一个由航天工程师米歇尔·拉瓦尼亚领导的团队正在开发一个能在低温下工作的原型机,它可以循环利用一切输入物质,在本案例中就是甲烷和氢气,这样就只需要消耗土壤了。

现在,一套设备需要花几十年时间,才能产生足够的水,把阿波罗号类型的登陆器送进轨道。但拉瓦尼亚说,在月球上可以同时运行多个反应器。她的团队已经从ESA获得了69.2万美元的资金,正在制作一个小到可以带上太空的演示机。

英国一家冶金公司则试图不采用化学反应,而是让电流通过熔盐浴来从固体金属矿中提取氧。他们公司率先采用的这项技术可以为航天工业提供高质量合金,未来还可能为在月球上使用的机械提供高纯度金属。

栖居之地

如果采掘水无利可图,那么仍会建造一个用于科学实验的基地。德国宇航员毛雷尔表示,“即使没有商业上的愿景,也只是会慢一点成型而已,”他说,“我们可能会变成和南极科考类似的情况——完全出于科学兴趣而为。”

但是与南极科考不同的是,月球居民的房子必须能抵御带电粒子辐射和宇宙中降下的小型陨石——因为月球几乎没有大气和磁场的防护。第一批简易房很可能要从地球带上去,但是需要用几米厚的沙子或表岩屑覆盖起来。

解决方法之一是利用大自然:利用悬崖、峡谷、山洞和熔岩洞来保护居住区。前年,科学家们重新分析了日本航天机构的“辉夜号”轨道太空船所获得的雷达数据,以及NASA的“圣杯号”所提供的密度测量,并在月球正面马利厄斯丘陵下发现了一条候选隧道,看起来长达数千米。在地球上,研究人员已岩洞里,练习好了如何操控探测车,为未来的月球探索作准备。

在德国航空航天中心(DLR)实验室里,研究人员正在测试另一个方案——利用表岩屑培养人工石。他们将一束强光聚焦到硬币大小的光板上,产生高达1100℃的温度来熔合数层粉末。经过一段时间之后,这些粉末层就长成了深黑色的粒质砖块。在月球上,可以通过聚焦阳光达到同样的效果。

维也纳的两家建筑公司去年4月宣布,他们可以将砖块组合成拱形或穹顶,来造出稳定的建筑,坚固到足以经受住月球上的地震,并且能承受更多的防护性砾石。目前,这种工艺需要花费五小时来制作一块砖,若能聚焦更多阳光,就可加速这一过程。

其他科学家则在探索使用微波炉来熔合表岩屑,或利用从地球带上去的聚合物等材料结合表岩屑来造房子的可能性。

甘蓝充饥

植物科学家也花了很长时间,来思考一个可以自给自足的月球基地所需的最后一项要素——食物。

作为封闭生态系统的一部分,植物可以循环利用有机废物,并将二氧化碳转化为可呼吸的氧气。去年5月,四名中国志愿者在“月宫一号”模拟基地的封闭生态系统中破纪录地居住了370天,顺利出舱。期间,他们在里面种植作物,并通过养黄粉虫来获取蛋白质。

国际空间站(ISS)的宇航员已经在吃太空种植的生菜和其它绿叶蔬菜了。NASA在肯尼迪航天中心有一个被称为  “蔬菜”的项目,用来选择能够在密闭空间里生长良好、且包含了在存储中最易降解的营养素的作物,最终胜出的是甘蓝。“它在各个方面都超群出众。”“蔬菜”项目经理特伦特·史密斯说。

在月球上,宇航员将会在水里种植作物。他们会使用白色和红色的LED光,通过调节光照来改变植物的矿物质和维生素成分。今年,国际空间站将开展验证西红柿的成分如何受光照影响的实验。

此外,研究人员还想弄明白,从基本是太空尘埃的物质中,如何构造出适合植物生长的活性土壤。如果表岩屑中能长出植物,那就意味着我们可以在叶菜之外,把小型果树带到月球上去了。

如果人类受制于月面上的危险环境而只能短期居住,又不能在当地培育食物的话,整个月球驻人项目就无从实施。此外,法律上也可能会有阻碍:所有太空探索大国都签署了1967年的《外层空间条约》,其中规定任何国家都不能将天体的任何一部分占为己有。

但现在大多数国家都认为,这并不会限制太空采掘。因为该条约还写道,探索和利用外太空应为所有国家谋福利,因此,各个公司需要找到方法,来共享采掘月球资源的技术和最终获得的收益。


 
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