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资源基地前景广阔
月球基地设想图。一个直径16米的臌胀结构构成的居住舱，可以适应12名航天员生活和工作。居住舱内有基地操作中心，生命科学和月球科学实验室，水耕果园，公共生活间，个人乘员区等。居住舱的左侧是进出用的气闸舱和除尘用洁净间。外面有一辆带增压舱的月球车，一艘航天器正在降落。 月球蕴藏着可供人类开发和利用的各种资源和能源，因而在那里适合建造资源基地和能源基地，其中，目前世界上许多国家对建立开采氦3这一价值连城燃料的能源基地最感兴趣。我国已用嫦娥1号、2号绕月探测器上的微波探测仪探测了月壤中的氦3含量。 （1）氦3是个宝 目前，已知月球上有100多种矿物，其中有5种是地球上没有的。月球资源有月球环境和月表资源两种，前者包括太阳辐射、真空和低重力，后者包括水冰、氧、氦3、氢、金属、非金属、月壤等，其中氦3最受重视。这种在地球上很难得到的物质是清洁、安全和高效的核聚变发电燃料，可提供便宜、无毒和无放射性的能源，被科学家称作“完美能源”。 月球上之所以富含氦3是由于氦3大量存在于太阳风中，而月球没有磁场和大气，所以太阳风粒子能直达月面。 目前，地球上核电站所采用的核裂变生产方式危险性很大，如果用核聚变反应来生产能源，不仅其单位质量产生的能量是裂变能的几百倍，而且产生的放射性危险只有裂变过程的万分之一，而氦3又是核聚变燃料的最佳选择，所以开发利用月壤中的氦3将是解决人类能源危机的极具潜力的途径之一。 有专家估计到2050年，地球上的能源有可能枯竭，到那时可以开发和利用月壤中的氦3作为人类的替代能源。月球蕴藏的氦3约为100万～500万吨。由于100吨的核燃料氦3就可以满足地球上1整年的能源需求，所以即使月球蕴藏的氦3只有100万吨，也足可满足全球1万年的电力需要。 另外，氦3也可用于未来的载人火星飞船。从月球土壤中每提取1吨氦3，可得到6300吨氢、70吨氮和1600吨碳。其中的氢可以作火箭燃料，同时氢如与氧结合，也能制成非常有用的水。
（2）发现大量水 多次探月表明，月球两极可能存有1100万～3.3亿吨的水冰，它们不仅可以满足人在月球上生存的需要，如果将水分解成氧和氢，还能成为载人登月飞船或火星飞船的发动机燃料，并借助低引力，成为低成本前往其他星球的前哨基地。 在月球上建基地，可以开采月球土壤中丰富的铝、铁、硅直接生产建材来建造房屋,也能采用3D打印技术就地取材打印月球村。可发射3D打印机器人登陆月球，先由机器人清扫和搜集月球表面的尘土，作为基地建材，再通过3D打印技术打造圆顶小屋供人居住。这种小房屋最多可供4个人居住。利用月球尘土建造小屋好处多多，能节省成本，不必耗巨资把已盖好的小屋运上月球；此外，月球尘土能抵抗月球的极端温差和太阳照射，让人类朝久居月球的梦想更前进一步。 为了解决运输问题，降低成本，也可直接在月球上建造核电站，电站发出的巨大电力除供月球基地使用外，还将通过激光或微波输送到位于近地轨道上的能量中继卫星，再由中继卫星仍以激光或微波形式传送给地球。另外，在月球上建核电站也用不着担心核泄漏等。在月球上还可建太阳能基地，因为月球表面几乎没有大气，太阳辐射可以长驱直入，而且很容易满足用目前的光电技术进行太阳能发电需要占用大片光照充足的土地的要求，因为月球上有充足的土地。 月球基地建造的路线图 月球基地的建设和开发的时间、规模、能力，与空间运输系统、基地设备、电源、生活设施和交通工具等有关。经过长期研究，一些国家的专家已提出了多种月球基地建造方案，它们各有特点，均有一定参考和借鉴价值。例如，有些专家认为建造月球基地可分以下三个阶段实施。 （1）三个阶段 第一阶段是准备阶段。其主要工作是为月球基地选址和完成月球基地建设的前期准备工作。此阶段由月球探测器和机器人来完成，发射月球探测器和将机器人送到月面上，负责月面的地质勘探和测绘，重点是在月球两极寻找水冰。 第二阶段是初级基地建设阶段。将航天员和基地的建造设备送上月球，然后将设备组装起来。登月航天员大约为6人，将在月球上停留2周，主要完成基地的初期建设任务。如果是建固定基地，航天员要将居住舱组装起来，并要保证生命保障系统能正常运行，这样可以给航天员一个比较舒适的生活环境。在居住舱组装完成后，紧接着要将月面制氧车间组装起来，以便给生命保障系统提供氧气，同时还可为飞船返回地球提供燃料。
图2 用自动货运航天器运送的部件组装成的月球居住地。中间为生活舱，后面为后勤舱，前面是气闸舱，一位航天员刚从气闸舱出来。两辆增压月球车与生活舱对接，提供航天员生活和工作场所，旁边是一辆由太阳能提供电力的月球车。 第三阶段是发展阶段。它是把初级月球基地发展为中高级月球基地的阶段。此阶段基地成员将从6人扩大到12人，他们将在基地停留3个月到半年。在此阶段，基地的居住舱也将从2～3个发展为5～7个。 建造月球基地的一种新途径是与民营企业合作，这样所需成本较低，建造月球基地周期较短，并有可能为未来登陆火星奠定经济可行的探测模式。在月球两极建立商业基地后，可将水冰转化成推进剂向美国航空航天局或其他用户出售。亦可转化成氧气，减低人类在月球定居时的成本。 研究表明，利用商业合作关系，人类能以逐步渐进的方式重返月球，这在技术上是可行的。为在月球上建立一个永久的人类基地，可采用另一种“三部曲”方法。首先，短期“分批次”派人在月球赤道地区着陆，而机器人航天员将在月球两极搜寻最有可能存在水冰的地点，这些任务可主要依靠现有或正在研发的运载火箭和航天器来执行；其次，中期“分批次”派人前往月球两极，测试提取冰并将冰转化为液氢和液氧推进剂的技术；最终，创建容纳4人的永久基地，监管每年生产200吨的推进剂。 （2）循序渐进 首先，要在发射月球自动探测器的基础上发射月球多用途基地舱，建立月球基地前哨站，探测月面和次月面；用月面飞行器探测前哨站的周围环境；用各种小型观测台观测地球和其他星球；用小型试验装置从月壤中提取水、氧等；试验月球资源开发技术；航天员半年一轮换。 接着是在月球上建由多用途基地舱、专用设备舱科学实验室、大型观测台和月球工厂等组成的半永久性月球基地。它们之间用通道相互连接，能观测地球、太阳系或更远的星系，生产溶液食物、金属原材料和推进剂，组装、维修和发射星际飞船；航天员几年一轮换。 最后，在月球上建造能开采矿产资源，有设备制造厂、农业工厂、月球港湾、医院、学校、宾馆等的永久性月球基地，数百人可在那里长期生活和工作。 实施步骤以及组成 也有一些专家提出采用以下六步走的方案来建造月球基地。 （1）六步方案 第一步是建设机器人基地，以机器人月球基地为“打前站”。其优点是比建真人基地经济便宜，设备简单，风险较小，无生命危险。 第二步是建设可容纳6人、逗留6个月的初级基地。它既可以是固定式的，也可以是移动式的。其中移动式月球基地是将基地的居住舱装上4～6个轮子或机械腿，最大优点是可以让航天员在月球上的不同地方进行调研和考察，并且可以根据外界情况随时更换位置，比固定式基地安全。 第三步是建设可容纳24人的中级月球基地。它由3个埋在月球的地下且对接在一起的空间站舱组成，上面盖有1.5～2.0米厚的土壤，目的是防止宇宙辐射伤害人体，同时还有利于保持舱内的温度。其研制时间为1年，寿命10年。 第四步是建设能容纳120人的高级月球基地。它可建在月球的熔洞内，也能用由月球岩石加工、混合而成的钢筋混凝土建在地下。从地球到月球轨道的运输使用可多次使用的重型航天运输系统，从月球轨道到月面的运输用月球客车。其研制时间为5年，寿命30年。 第五步是建设能容纳250人的月球工厂。除开采月球矿物以外，月球工厂还要负责生产一些重型设备。这些设备除供应月球移民区的建设外，还供应太阳系其他行星和天体的开发之用。其使用寿命30年。
（2）系统组成 与其他载人航天器一样,月球基地必须包括2个最基本、也是最重要的设施，那就是可供航天员生活和工作的加压居住舱和生命保障系统。因为人在登月的全过程中会面临失压、缺氧、低温和辐射损伤4大危险。所以，月球基地也像载人飞船、航天飞机和空间站等一样，必须有加压居住舱和生命保障系统。 在月球基地的不同发展阶段可以建不同的居住舱。初级基地的居住舱可用移动式居住舱，也能直接使用登月飞船上的月球着陆器，后者设备简陋，可供航天员在里面临时生活和工作30天；前者可用于初级基地和中级月球基地。高级基地一般采用由金属结构或钢筋混凝土结构制成的固定式居住舱，其中前者为类似于空间站的圆筒形舱段，但为了防止宇宙辐射对基地乘员的伤害，这两种固定式居住舱都必须埋在地下或是建成半地下。 月球基地上所使用的生命保障系统也随基地不同而不同。初级基地的生命保障系统是非再生式的，即其上的氧气、水和食物要依靠来自地球的补充供应。此后建造的基地的生命保障系统是再生式的，即其上的氧气、水或食物都要靠密闭循环处理和绿色植物的光合作用来就地解决。 除了加压居住舱和生命保障系统外，供电系统、出舱活动系统和月球漫游车也是月球基地上必不可少的重要设施。 建材基地概念研究 各种月球基地的主要组成和建造方法是基本相同的，主要差异来自于具体需求，这与在地球建立基地同理。所以在设计时要根据具体需求来进行即可。例如，人类如果要建造太空城，就需要先在月球上打造建材基地。因为月球重力只有地球的1/6，从月球上将建材运输到太空城建设点，可节省大量的运输费用。建材基地建在月球南极比较合适，因为那里有充足阳光且储存着冰。 建造建材基地也应按照先易后难的方式陆续建造三种，通过不断迭代来逐步完善，即先建造临时性月球基地，然后建造永久性小型月球基地，最终建造永久性大型月球基地。 （1）建材基地的主要组成 一是居住系统。它包括月球工棚、生命保障系统和出舱活动系统。居住系统应能提供40名月球工作人员的居住和生活。月球工棚采用固定式硬结构，可以是金属结构，也可以是钢筋混凝土结构。生命保障系统是混合式的，即一种非再生式与再生式相结合的系统，因为基地的食物大部分还是靠地球供应，另外基地利用绿色植物的光合作用，生产新鲜的蔬菜和水果，同时还可生产氧气和饮用水，并清除二氧化碳和回收处理废物。
图4 专家设想的采用臌胀结构构成的月球基地居住场所、太阳电池阵（平铺在月面）、辐射防护屏、连接隧道、6个轮子的月球车和其他设施。 三是电力供应。为了保证月球建材基地的正常生产，必须提供充足的电力，主要有两条途径：一是太阳能电站；二是核电站。月球基地上的电力供应是太阳能电站和核电站并重。因为在月球上，白天可由太阳能电站供电，夜晚只能由核电站供电。 为了减少运输费用，可把生产太阳电池的设备送上月球，然后利用月球上已有的大量铝和硅就地取材生产太阳电池，从而建立太阳能电站。 太阳电池生产设备的用电由小型太空核电站提供，这种使用氦3作为燃料的小型太空核电站重约3吨，能生产100千瓦的电能，可以不间断工作几十年。由于氦3也是就地取材，因此发电成本将大大下降。 （2）太空城建材生产流程 太空城建材的生产流程是：月球开矿和选矿；月球矿石发射；月球矿石接收；太空冶炼、加工和制造；运送到太空城建筑工地。
图5 月球基地的建设者。 结语 由于建造月球基地是一项宏伟而复杂的系统工程，需要耗费巨大的人力、物力和财力，所以尽管酝酿了多年，但是至今还没有一个公认的最理想方案，更没有任何一个国家或组织进行立项实施。所以，虽然月球基地前景广阔，但任重而道远，还需要进一步深入论证。笔者认为，比较理想的方法是举全球之力，多国联合建造国际月球基地，这样既可大大缓解各国单独建造月球基地所带来的巨额资金压力，又能充分发挥参与国各自拥有的航天技术特长，还能让参与国共享建立月球基地所带来的巨大成果。 |
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