月球殖民

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艺术家描绘的月球基地
艺术家描绘的大型月球基地

月球殖民是一种人类永久居住在月球的构想。科幻小说作家与太空探测的支持者经常将月球视为人类从地球进行太空探索后,所必然产生的殖民地区。

人类在地球以外的天体殖民常是科幻小说的主题之一。随着地球人口增加与科技进步,太空殖民的提议也被广泛的讨论与争辩。因为月球是距离地球最近的天体,所以也被视为是首要的候选地区。

历史[编辑]

殖民月球的构想在太空时代英语Space Age开始之前就已经出现了:俄罗斯太空先驱康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基就曾经提出这种想法[1],他曾说“地球是人类的摇篮,但人类不可能永远生活在摇篮中。”在1950年代后,许多科学家、工程师与其他人皆陆续提出各种关于殖民月球想法。

著名的科幻小说作家亚瑟·查理斯·克拉克于1954年就曾经提出人类在月球上建立基地,并使用充气组件包覆月球基地以阻绝月尘进入的构想。约翰·S·雷纳赫特(John S. Rinehart)在1959年提出一种“可以浮动在大片尘土上”的建筑概念。当时的理论认为月球上分布着一英里深的灰尘[2]

地平线计划英语Project Horizon美国陆军于1959年所提出的研究方案,计划在1967年余月球上建立一座堡垒[3],并由陆军弹道导弹署英语Army Ballistic Missile Agency一位德国火箭工程师来主导这个计划的进行。

探测阶段[编辑]

人类对于月球的首次探测是在1959年由苏联所发射的月球2号探测器,它首次硬着陆于月球表面。月球3号在同一年摄得月球背面照片,并因此开启了无人操作的月球探测时代。

为了抗衡苏联的探测计划,美国总统约翰·肯尼迪于1961年5月25日在美国国会发表演说:“我相信我们的国家将在这个十年结束前完成一个目标,就是让太空人登陆月球并安全返回地球。没有任何单一的太空计划会比这个更能使人类振奋,也没有任何计划比此对远程宇宙探索更重要。也没有任何计划像登月一样昂贵且充满挑战。[4]”苏联政府高层在同一年也首次宣告让人类登陆月球与建立月球基地的目标。

天文学家约翰·丹尼克(John DeNike)与史丹利·桑(Stanley Zahn)于1962年发表在宁静海建立月球基地的构想[5]。这个基地可以容纳21人,并包覆在4米厚的膜中,这种装置可以抵抗辐射线,与大气层的功用一样。人们将使用核反应堆来获得所需的能源,因为它比太阳能更加有效,而且可以不受月球上漫长黑夜的影响。

有人驾驶的月球探测计划始于1968年的阿波罗8号太空船(总共有3名太空人)环绕月球。这也是人类首次亲眼观测月球的背面。阿波罗11号阿波罗登月小艇在隔年顺利降落在月球表面,人类首次登陆月球(由尼尔·阿姆斯壮所完成),这也证明人类已经拥有抵达月球,进行科学探测并取回样本的能力。

在阿波罗11号成功之后,美国仍然继续进行月球探测。阿波罗12号于1969年降落在测量员3号(Surveyor 3)附近,展现精准的登陆能力。接续在任务失败的阿波罗13号之后的阿波罗14号是太空人最后一次在返回地球后需要隔离检疫的任务。阿波罗15号任务完成了人类首次在月球上操纵交通工具的计划,当时太空人首次驾驶月球车进行探测。阿波罗16号首次登陆在崎岖的月面高地。然而当时美国大众对于月球探测的兴趣已经逐渐减少。于是阿波罗17号成为阿波罗计划的最后一次任务。随后的月球探测计划被理察·尼克森所终止,并将目标放在航天飞机与近地轨道的太空任务上。

苏联的月球号系列探测器并没有成功将人类送上月球,但是1966年发射的月球9号却是第一个在月球上软着陆,并送回月球近距离照片的探测器。月球16号于1970年取回苏联首个月球样本。从1970年至1973年间,月球步行者计划成功将2辆月球车送上月球。步行者1号在月球表面总共探测322天,不过步行者2号则于运作4个月之后失去联系。苏联月球探测于1974年结束,比阿波罗计划还要晚了2年。

太空人巴兹·奥尔德林在月球上留下的鞋印。这是一个测试月球表面风化层的实验的一部分。

在探月热潮结束后,只有少数的狂热者支持返回月球。不过美国的克莱门特号(1994年)与月球探勘者号(1998年)发现月球极区存在月冰的证据后,又引起一些关于探测月球的讨论[6][7]。同时中国的太空机构也在考虑进行月球的探测计划[8]。后来的研究显示月冰的含量比想像中的更少,不过仍然可以被人类所利用[9]

美国总统乔治·W·布希于2004年发表一个太空探测展望,计划在2020年将人类再度送上月球。NASA也宣布一个新的长程计划,包括在月球建立基地,成为前往火星的中继点。其中也计划在2024年于月球极点建立月球前哨站。如果基地位置良好的话,将可以持续获取太阳能,温度的极端变化可以减少[10],水源与矿物也可以在附近开采使用[10]欧洲空间局也有一个计划在2025年建立月球永久基地的构想[11][12]俄罗斯也曾宣布将在2025年送人到月球,并且在几年后建立永久基地的类似计划[13]

而中国科学家则认为中国将可以在2022年送人登陆月球[14]中国探月工程),日本印度也计划在2030年建立月球基地[15]

美国国家航空航天局原本预计在2008年10月发射月球坑观测和感测卫星(Lunar Crater Observation and Sensing Satellite)[16],但后来发射日期被延迟到2009年6月18日[17],导致撞击月球的时间递延到2009年10月9日[18] 。月球陨石坑观察与感测卫星计划也是替外来的探测计划作准备。

优点缺点[编辑]

优点[编辑]

要在天然的天体上建立殖民地需要丰富的原料来提供建筑与其他的用途所需,包括隔绝辐射线。从月球运送物质所需的能量要比从地球运送所需的能量还要少。这也让月球成为太空船能量及燃料补给的合适地区[5]。一些人认为可以使用质量投射器将物质从月球传送出去,并不需要使用火箭。此外,月球也有一些重力,这可能可以维持胎儿的成长与人类的长时间健康[19][20]。不过月球的重力是否足够达到这样的目的仍未确定。

猎户座太空船接近月球的想像图

月球也是太阳系中最接近地球的大型天体。月球并不会像一些越地小行星(Earth-crosser asteroids)那样接近地球,而是大约维持在384,400公里左右的距离。这样的距离有一些优点:

  • 从地球运送物质前往月球所需的能量比其他天体更少
  • 地球与月球之间的运输时间短。阿波罗计划的太空人只花费3天的时间就抵达月球,其他的化学燃料火箭至少可以在10至20天内以这样的时间抵达月球。
  • 短暂的运输时间可以提供地球的紧急支援快速的前往月球,人员也可以快速的从月球撤离回地球。这也是人类建立首座殖民地的重要考量之一。
  • 地球与月球的来回通讯时间短于3秒,提供了几乎没有时间差距的通讯能力。地球与其他天体的通讯时间至少要花费数分钟至数小时。这也可以提供地球的紧急支援快速的前往月球。
  • 在月球面对地球的这一面,地球在太空中显得巨大,不像在其他的星球上,地球几乎就像是一颗普通的恒星一样。阿波罗8号的太空人是首批目睹月球背面的人类。
  • 月球基地可以提供各种天文台的优良地点[21]。月球地质活动很少,缺乏人类活动的干扰都让人类于月球上设置天文干涉仪更加容易。

缺点[编辑]

  • 月球长时间的黑夜阻碍了太阳能的使用,而且导致人类必须设计可以忍受大幅温度变化的建筑。虽然永昼峰(Peak of Eternal Light)可以消除这种限制,因为它位于极区,可以永久照射到阳光。面向月球南极的沙克尔顿坑边缘也接近可以永久照射到阳光。
  • 月球缺乏轻的元素,例如。虽然南北及都显示出一些存在的迹象。虽然是月球风化层的主要元素之一,不过仅能在矿物中发现。其他能够合成空气、食物与燃料的元素必须从地球运送过来,直到月球可以自行生产为止。凯克天文台于2006年宣布特洛伊小行星帕特罗克洛斯与其它大量位于木星轨道上的特洛伊小行星可能蕴含大量的水冰在尘埃层[22]
  • 月球的轻微重力是否对于人类的健康产生负面影响仍未确定。在无重力的环境下生活数个月会对生理系统造成破坏,例如骨质与肌肉疏松及免疫系统的能力降低。这样的影响也发生在低重力的环境,虽然所有低重力对于健康影响的实验都是来自无重力的环境。
  • 缺乏足够的大气层来隔绝温度的极端变化,也让月球表面有些类似外太空。这也让月表暴露在太空辐射中,虽然月球上少量的辐射物质仍然可以被使用,但是如何防止太阳闪焰的危害更加重要。
  • 月尘是由微小陨石所构成的坚硬物质,而且因为缺乏风化作用而带有棱角。它可能会破坏建筑与设施,也可能带有毒性[23]
  • 月球的漫长黑夜(接近15个地球日)、温度的剧烈变化、辐射线的照射与花粉的传播缺乏媒介对于植物的生长可能带来许多挑战。因为缺乏月球大气,所以植物将会在密闭的空间中生长,虽然实验显示植物可以在气压远低于地球的环境下繁殖[24]。使用人工照明去弥补日照的不足也存在相当的困难。苏联太空计划在1970年代进行的实验显示植物可能需要15个白天、15个黑夜这样的循环才能正常生长[25]。有许多月球农业构想被提出过[26],包括在夜晚使用最少的照明来保护植物、使用快速生长的植物,对种子进行人工照明,然后在一个月球日结束时收成的想法[27]。科学家估计要养活100个人需要0.5公顷的农场[28]

地点[编辑]

一个月球前哨基地住要必须符合3项标准:

  • 运输的便利性。
  • 可以符合许多不同的科学研究目的。
  • 拥有许多月球的天然资源与丰富的矿物,且明显分布在月球表面,例如铁氧化物[29]

极区[编辑]

克莱门特号摄得的月球南极照片

月球极区可能是最适合人类建设月球基地的地区。首先,有证据显示水可能一直保存在极区附近的阴暗处[30]。而且因为月球自转几乎垂直于赤道,所以极区可能永远受到太阳光的照射。所以可以在这个区域建设能源收集站。靠近沙克尔顿坑(Shackleton crater)的马拉柏特山(Malapert mountain)拥有几项优势:

  • 它在大部分的时间都暴露在阳光下,放置2个太阳能模组(Photovoltaic Module)就可以接收到永续的能源[31]
  • 它位于沙克尔顿坑附近意味着可以传达能源与通讯能力至沙克尔顿坑。这个坑对于天文观测有潜在的价值,无线电望远镜设置在此可以避免地球上的各种干扰[31]
  • 苏梅克坑附近与其它坑洞都位在阴影中,可能可以帮助保存氢与其他易挥发的气体[31]
  • 5,000米的高度可以提供大范围与地球间的视线传播通讯。
  • 位于南极的南极-艾托肯盆地是太阳系最大的撞击盆地,可以提供地质学家研究深层的月球结构

美国国家航空航天局探测系统建造计划书(Exploration Systems Architecture Study)显示将会选择月球南极建设基地[32]

月球北极的皮里坑(Peary crater)边缘也是一个适合建设基地的区域[33]克莱门特号的研究显示培利坑边缘的部分地区永久受到阳光照射(除了月蚀以外[33])。因此这个区域的温度预计将会稳定的维持在−50 °C左右[33],大约与冬季时的西伯利亚南极洲寒极(Pole of Cold)相当。培利坑内部也可以作为储存氢气的地点[33]

虽然氢的分布集中在极区,不过月冰的存在仍未确认。克莱门特号的双向雷达实验显示月球南极有水冰的存在[34][35]。月球探勘者号显示氢不仅大量分布在南极,也分布在北极[36]。此外,一些科学家使用阿雷西博天文台观测的结果表明克莱门特号接收到的不规则讯号并非水冰存在的证据,只是崎岖的月球表面所造成的[37]。不过这种论点并没有被广泛的接受[38]

赤道[编辑]

月球的赤道地区拥有丰富的氦-3(这种物质在地球的含量稀少),这是因为太阳风拥有较高的波动角度[39]。赤道地区也比其他地区更适合成为发射地点,虽然因为月球的缓慢自转,这项优势并不明显。

位在这个区域的风暴洋莱纳伽马现象与阴暗的格里马尔迪坑(Grimaldi crater)都是值得科学家进行深入研究的主题。

背面[编辑]

月球背面缺乏与地球的直接通讯功能,必须经由位于L2拉格朗日点上的通讯卫星或卫星网络来与地球取得联系[40]。月球背面也适合建造大型无线电望远镜,因为可以避免地球的干扰[41]。因为缺乏大气,这里也适合建立光学望远镜阵列,类似智利甚大望远镜[42]

建筑[编辑]

想像中的月球基地,由充气式的组件所构成

月球居住地的构想相当的多元。从利用月球登陆太空船、移动式的基地与使用充气式的组件来组成基地的想法都曾被提出过。月球的环境是考量的重点,包括剧烈的温度变化、缺乏大气层与电离层及漫长的黑夜都必须被考虑在内。

一些人提议将月球基地建筑在地底下,这样可以抵抗辐射线与流星的撞击。因为月球的温度变化很大,白昼的平均温度为摄氏107度(华氏225度),黑夜的平均温度则会下降到摄氏-153度(华式−243度)[43],但是地底的温度可以维持在摄氏24度,居民可以装设普通的空调设施[44]。这样的建筑可能会比较复杂,必须使用机器去挖掘地面,并使用类似喷射混凝土的物质来固定建筑结构[45]。另一个替代方案是使用月球现存的、由死火山遗留下的大型熔浆隧道[46]

早期的月球基地可能建筑在月球表面,并由月球土壤所覆盖。月球风化层是由及含铁的混合物所组成,并可能受到微波的作用而成为玻璃似的土壤[47]。人工磁场也在有人太空任务中被提出用来防止辐射的危害,这也可能用在月面基地上。月球部分地区拥有强大的磁场可能可以减少来自带电微粒的威胁[48]

能源[编辑]

月球基地需要能量去维持系统运作,包括通讯与维生系统。

核能[编辑]

核反应堆最可能满足基地大部分的需求,核聚变核分裂更具有优势。进行核聚变所需要的氦-3在月球上的含量也相当丰富。不过现在的技术尚未能将核聚变实用化,所以在早期可能无法采用这种方式。放射性同位素热电产生器(radioisotope thermoelectric generator)可以作为备用的能源供应系统。

太阳能[编辑]

太阳能是月球基地能量来源的可能选择之一,可以提供基地相对成本比较低的能源供给,制造太阳能发电的设备也可从月球上开采。然而月球的漫长黑夜也阻碍太阳能的使用。建设几个发电设施是其中一个解决方式,另一个解决方式是在永久受到日光照射的地区建筑发电设施,例如南极或北极。使用太空太阳能(space solar power)的技术也可以解决这个问题。

太阳能转换器并不一定需要使用硅太阳能组件,利用巨大温差来驱动热机发电机有着更多的优点。居民可以使用镜子来集中阳光,并传达至斯特林发动机抛物线槽型发电机

运输[编辑]

地球到月球[编辑]

直到目前的探测月球任务都是使用火箭,而欧洲空间局的SMART-1则是使用霍耳效应推进器。美国国家航空航天局也预计于2019年使用战神五号运载火箭去发射牵牛星太空船来登陆月球。

月球表面[编辑]

一辆月球漫游车从运输太空船降下

科学家对于月球表面的交通工具有着许多不同的构想,包括小型的漫游车、大型的实验室车辆与少数的飞行或跳跃式的机械。漫游车不适合在太过陡峭的地形操作。直到目前为止,月球车(由波音所研发)与苏联的月球车(Lunokhod)是唯二在月球活动过的车辆。月球车可以搭载1至2名成员,并在一天之内可以活动92公里的范围。而目前美国国家航空航天局的移动月球实验室构想是使用加压的月球车辆,活动范围为396公里。而苏联则在Lunokhod计划使用不同的构想,而且可能使用在未来的月球或火星探测。这些漫游车在未来长期的探测中可能都会成为舱型的车辆[49]

如果在月球上建立数个基地后,可能可以使用铁路轨道来互相结接。传统的轨道与磁浮系统都被提出作为运输的方式。其中磁浮系统更吸引人的注目,因为月球上没有大气来阻碍火车的前进,因此可以达到飞机在地球上飞行的的速度。不过月球火车与地球最大的不同是:各个车厢必须独自密封,并拥有各自的维生系统。月球列车也需要降低出轨几率,因为车厢破裂可能造成人员快速死亡。

如果基地建在铁路较难抵达的地区,使用飞行运输工具会更适合。贝尔飞机公司也提供美国国家航空航天局一些月球飞行交通工具的设计构想。

从月球表面到太空[编辑]

建造在月球上的质量投射器

月球基地需要有效的方法从地球运输人员与许多物品至月球上,后来也需要运输至其他的行星。月球的重力因为比较小,所以从月球运输物资至地球比较具有优势。月球没有大气层同时具有优缺点,优点是可以比较容易从月球起飞(因为没有阻力),而缺点则是太空船无法使用气动刹车,所以必须携带额外的燃料去降落。包覆在酬载物周围来吸收冲击的物质需要由较轻的物质所构成,虽然月球上缺乏这种物质。美国早期的游骑兵计划所使用的则是轻木[50]

从月球运输货物至行星际中继站的方式可能是使用质量投射器。货物可以从轨道或地球-月球间的拉格朗日点被使用离子推进器的太空船或太阳帆所撷取并运送到地球轨道、火星或其他行星,且或许经由行星际运输网络(Interplanetary Transport Network)。如果月球太空电梯被建造完成,它将可以运送人员与货物前往拉格朗日点上的太空站

要估计发射货物或人员前往太空的成本并不容易,取决于未来技术的进步程度。根据阿波罗计划的发射成本资料,估计从月球发射太空船的成本上限大约是每公里40,000,000美元[51][52][53]

从月球表面到月地空间[编辑]

月地之间的运输方式预计使用拴链系统去转换动力[54]。这种系统不需能量输入,不仅可以将货物从月球表面传送至地球,也可以将货物安稳的降落在月球表面。

经济发展[编辑]

以长期的角度来看,太空殖民地应该可以达到接近自给自足的程度。从月球上采矿精炼的物质使用在月球上或太阳系的其他地区比运送回地球更加有利,因为它们可以较低的成本运送出去。

输出原料至地球[编辑]

从月球输出原物料至地球因为高度的运输成本而有困难。一个可能的后补是太阳风中的氦-3,因为它大量累积在月球表面,但是地球上的含量却很少。氦-3也可能在未来作为核聚变原料。

威斯康星大学麦迪逊分校的核聚变技术学会进行了氦-3的核聚变反应堆实验,而且没有政府的预算支持[55]。不过这个核聚变反应堆尚未达到能量平衡。

技术移转[编辑]

为了建造月球基地而发展的技术也可以转移到潜在的太空目标,包括近地小行星水星,因为这些地区与月球有许多相似之处。

旅游业与科学研究[编辑]

旅游业、需要无菌、低重力及真空环境的制造业、科学研究及奈米科技产业都是月球上可能发展的产业。月球也适合长期储存放射性物质。低重力的环境也可能让身体残疾的人士可以拥有比较自由的生活。

太阳能发电卫星[编辑]

天文学家杰瑞德·K·欧尼尔(Gerard O'Neill)注意到1970年代早期的发射成本相当的高,所以提出在轨道上建造太阳能发电卫星的构想(使用月球上的材料)[56]。从月球上发射火箭的成本大约只有从地球上发射的100分之1,这是因为月球缺乏大气层及低重力的缘故。

美国国家航空航天局在1980年估计航天飞机的发射成本时,杰瑞德·K·欧尼尔小组曾提出一种方案-使用月球资源会节省更多成本[57]

地球化[编辑]

艺术家想像的完成地球化的月球

科学家想要将月球地球化有着相当的大困难。第一步是制造大气层,但是因为月球可能没有足够的质量来保持大气层,所以月球上的大气层不一定可以保持几万年的时间,可能需要持续制造大气层让大气层可以稳定的存在月球上。

参见[编辑]

参考资料[编辑]

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外部链接[编辑]