工程師和建筑師已開(kāi)始在設(shè)計(jì)月球棲息地

　　美國(guó)航天局和歐洲航天局的月球殖民地計(jì)劃要求先進(jìn)的生命支持系統(tǒng)和宇宙射線(xiàn)的屏蔽。

　　Skidmore, Owings&Merrill(SOM)是一家以設(shè)計(jì)和工程聞名的建筑公司。迪拜的 Burj Khalifa 是世界上最高的建筑，這類(lèi)標(biāo)志性建筑是該公司的特色之一。但在其紐約市辦公室，建筑師們正在為 SOM 的第一次外星任務(wù)繪制更引人注目的圖紙。該公司正與歐洲航天局(ESA)和麻省理工學(xué)院合作設(shè)計(jì)月球基地。

　　首席設(shè)計(jì)師 Daniel Inocente 展示了散布在月球景觀中的白色膨脹吊艙的示意圖和效果圖，這些吊艙由管狀走道連接，由機(jī)器人、太陽(yáng)能電池板和宇航員包圍，所有這些都由天空中一個(gè)可辨認(rèn)的藍(lán)色球體監(jiān)控。

　　這些設(shè)想可能永遠(yuǎn)不會(huì)實(shí)現(xiàn)，但它們正在幫助歐空局思考未來(lái)的可能。月球提供了許多機(jī)會(huì)。行星科學(xué)家想研究它的組成，以了解早期太陽(yáng)系和地球的起源。天文學(xué)家想在遙遠(yuǎn)的地方建造射電望遠(yuǎn)鏡。醫(yī)學(xué)研究人員想了解人體對(duì)長(zhǎng)時(shí)間處于低重力狀態(tài)的反應(yīng)。探險(xiǎn)家們想測(cè)試設(shè)備或生產(chǎn)用于小行星、火星和其他星球的航行的推進(jìn)劑。

　　自從 20 世紀(jì) 70 年代阿波羅計(jì)劃結(jié)束以來(lái)，首次將人們送上月球的討論逐漸升溫。2016 年，歐空局局長(zhǎng)宣布了“月球村”，這是一個(gè)刻意模糊的愿景，鼓勵(lì)私人和公共參與者在機(jī)器人和人類(lèi)探索月球方面開(kāi)展合作。去年，八名中國(guó)志愿者在一個(gè)名為“月宮 1 號(hào)”的模擬棲息地完成了為期一年的停留，以測(cè)試生命支持系統(tǒng)。

　　雖然私營(yíng)企業(yè)不打算很快將人們送上月球表面，但來(lái)自 SpaceX 和 Blue Origin 的火箭可能會(huì)大幅降低政府的成本。就在幾個(gè)月前，美國(guó)副總統(tǒng) Mike Pence 承諾將在五年內(nèi)讓宇航員重返月球。

　　但是在月球上定居下來(lái)的人需要專(zhuān)家們先解決掉一些問(wèn)題。包括：應(yīng)對(duì)惡劣的環(huán)境，用當(dāng)?shù)夭牧辖ㄔ旖ㄖY(jié)構(gòu)，掌握生命保障;以及處理一個(gè)潛在的致命的復(fù)雜問(wèn)題，目前我們還沒(méi)有明確的解決方案 --灰塵。

　　確定月球定居點(diǎn)的三個(gè)最重要的因素是，如同任何房地產(chǎn)經(jīng)紀(jì)人都會(huì)告訴你的一樣，位置，位置，還是位置。SOM 認(rèn)為最誘人的選擇是在月球南極附近的沙克爾頓隕石(Shackleton Crater)坑邊緣擁有一塊漂亮的土地。

　　有強(qiáng)有力的證據(jù)表明，火山口的永久陰影區(qū)域含有古代彗星的水冰，這些水冰有利于飲用、烹飪食物、洗澡、制作混凝土以及分解成氧和氫作為火箭推進(jìn)劑。

　　無(wú)論他們?cè)谀睦锝ㄔ欤战ㄖ熀凸こ處煻济媾R著傳統(tǒng)實(shí)踐者從不擔(dān)心的限制。當(dāng)然，月球上幾乎沒(méi)有空氣，所以任何棲息地都必須被密封。當(dāng)大多數(shù)太空巖石在地球大氣層中燃燒時(shí)，月球表面卻經(jīng)常被微流星體撞擊。所以建筑物必須能夠承受打擊。

　　那里的重力大約是地球的六分之一。這可以考慮大跨度結(jié)構(gòu)，但也需要更多的錨定點(diǎn)。而弱重力使得挖掘變得困難：向下推會(huì)把你推上去。在溫度極端的地方，棲息地需要有強(qiáng)大的加熱和冷卻系統(tǒng)，它們所用的材料必須能夠承受劇烈的膨脹和收縮。

　　然后是輻射。太陽(yáng)不斷地釋放出高速質(zhì)子和電子流——太陽(yáng)風(fēng)。雖然地球的磁場(chǎng)保護(hù)我們不受大多數(shù)風(fēng)的影響，但月球沒(méi)有磁場(chǎng)，所以它都會(huì)撞擊地表。更危險(xiǎn)的是太陽(yáng)的日冕物質(zhì)拋射。這些事件將高能質(zhì)子和電子的爆發(fā)拋向太空。一個(gè)強(qiáng)大的輻射能產(chǎn)生幾個(gè)西弗特——一個(gè)西弗特是測(cè)量月球表面輻射暴露的標(biāo)準(zhǔn)，如果一個(gè)人不返回地球進(jìn)行骨髓移植，就足以殺死他。如果這種危險(xiǎn)不足以忍受，那么月球上的宇航員也將受到銀河系宇宙射線(xiàn)的持續(xù)照射，這可能會(huì)增加他們患癌癥的終生風(fēng)險(xiǎn)。

　　在 SOM 的紐約辦公室，Inocente 提出了在月球生境周?chē)娜S印刷墻壁保護(hù)生命免受輻射的建議。長(zhǎng)期居住者需要 3 米防護(hù)罩才能保護(hù)他們免受銀河宇宙雷擊的影響。從地球上運(yùn)送成噸的混凝土是沒(méi)有意義的，所以宇航員將就地資源利用，換句話(huà)說(shuō)，他們將使用那里的資源。

　　在 SOM 的概念中，這些墻將由月球土壤制成，由于缺少有機(jī)材料，所以更恰當(dāng)?shù)胤Q(chēng)其為表土。這樣做的一種方法是 3D 打印墻壁，要么全部打印在它們所“站立”的位置，要么作為磚堆疊時(shí)“鎖”在一起。一些太空建筑師建議通過(guò)一個(gè)機(jī)器人控制的噴嘴，逐層沉積風(fēng)化層水泥。

　　但是，如果水泥混合物中的液體在墻體或磚中的混凝土凝固之前蒸發(fā)或凍結(jié)呢?歐洲研究人員與建筑公司 Foster+Partners 合作，研究了可以防止這種情況發(fā)生的粘合液和注入方法，并用浮土模擬物打印了一面墻。然而，承包商仍然需要將液體粘合劑或特殊水泥粉運(yùn)送到月球上。

　　SOM 更傾向于通過(guò)熱膠噴嘴擠壓融化的表土。另一種方法是將加熱的表土燒結(jié)到接近其熔點(diǎn)的位置，直到其熔化。在 ESA 的一個(gè)名為“RegoLight”的項(xiàng)目中，研究人員將陽(yáng)光聚焦到一束強(qiáng)烈的光束中，并在風(fēng)化層模擬物表面逐層烘焙磚塊。不過(guò)，這一過(guò)程很慢，而且測(cè)試磚塊也很薄弱，因此許多研究人員認(rèn)為，成功的策略將是微波燒結(jié)，利用微波爐或微波束來(lái)吸附灰塵。SOM 正密切關(guān)注燒結(jié)研究。

　　對(duì)于相對(duì)較低的棲息地，表土可以簡(jiǎn)單地堆放在金屬結(jié)構(gòu)的頂部(留有可供維護(hù)的空間)。另一個(gè)更具推測(cè)性的選擇是，將棲息地模塊安置在月球熔巖管內(nèi)，這是一個(gè)巨大的空隧道，熔化的巖石曾經(jīng)流過(guò)這個(gè)隧道。

　　表土不僅用于保護(hù)建筑物，還用于鋪設(shè)發(fā)射臺(tái)和道路。美國(guó)航空航天研究所(AIAA)空間建筑技術(shù)委員會(huì)主席 Brent Sherwood 建議在微波爐中烘烤風(fēng)化層鋪路磚。航天器降落在平臺(tái)上，或是在由這些瓷磚制成的道路上行駛的車(chē)輛上，揚(yáng)起的灰塵會(huì)減少。這樣道路也可幫助使機(jī)器人更容易在地形上導(dǎo)航。“你可以基本上把月球表面想成一個(gè)可預(yù)測(cè)的工廠地面，就像亞馬遜的倉(cāng)庫(kù)，”他說(shuō)。

　　ESA 的太空建筑師 Hanna Läkk 以建筑和紡織技術(shù)為背景，提供了一種更為廣泛的使用風(fēng)化層的方法。與合作者一起，她成功地將模擬物熔化，并將其擠出到纖維中，這些纖維可以通過(guò)金屬框架自動(dòng)纏繞到纖維外殼結(jié)構(gòu)中。利用這種制作方法，一個(gè)棲息地模塊可以被放置在一個(gè)有編織網(wǎng)的隕石坑中，支撐更多堆在上面的風(fēng)化層。他們還用機(jī)器人制作了這種蓋子的微型版本。最后，在未來(lái)的任何月球殖民地都可能采用許多使用風(fēng)化層的技術(shù)。

　　在由月球風(fēng)化層構(gòu)成的屏障后面，月球生境模塊到底是什么樣子的?SOM 正在進(jìn)行的設(shè)計(jì)是工程師們幾十年來(lái)提出的建議的產(chǎn)物，通常用于穹頂或圓筒，有時(shí)用于掩埋或半掩埋。

　　太空建筑師和工程師普遍認(rèn)為，第一個(gè)月球棲息地將類(lèi)似于國(guó)際空間站(ISS)的單位。羅格斯大學(xué)的機(jī)械和航天工程師、《在月球上建造棲息地：月球定居點(diǎn)的工程方法》(Springer，2018 年)一書(shū)的作者 Haym Benaroya 說(shuō)：“The first-generation technology is a little bit less sexy。”原來(lái)的棲息地將某種壓力容器覆蓋在表土中進(jìn)行輻射防護(hù)，從某種意義上說(shuō)，是一個(gè)埋在地下的錫罐。

　　據(jù)為波音公司工作的 ISS 模塊的 Sherwood 說(shuō)，工程師們已經(jīng)知道如何制造、測(cè)試、發(fā)射和修理這樣一個(gè)單元。他說(shuō)：“我們從空間站學(xué)到的知識(shí)是巨大的。”

　　最后，我們可能會(huì)轉(zhuǎn)向充氣模塊，一旦我們更好地了解如何將它們與剛性結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，以及如何包裝它們以便正確展開(kāi)，充氣模塊就可以擴(kuò)大到更大的體積。總部位于拉斯維加斯的畢格羅航空航天公司(Bigelow Aerospace)授權(quán)美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)專(zhuān)利，以建造一個(gè)充氣裝置，該裝置于 2016 年附于國(guó)際空間站進(jìn)行測(cè)試。雖然畢格羅目前僅用于存儲(chǔ)，但它仍在繼續(xù)收集有關(guān)其對(duì)溫度變化、輻射和空間碎片撞擊的反應(yīng)的數(shù)據(jù)。

　　在其與歐空局的合作中，SOM 介于罐子和氣球之間的東西。它的設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的模塊是一個(gè)模糊不清的圓柱形，高 9.5 米。它有三層樓，有一個(gè)垂直的核心，允許居民在它們之間攀爬。三個(gè)充氣部分運(yùn)行模塊的高度，并增加所有樓層的生活空間。底層有三個(gè)門(mén)與相鄰單元相連。

　　SOM 還沒(méi)有決定環(huán)境控制系統(tǒng)、生命支持、電力和船員住宿的技術(shù)。但是早期讓用戶(hù)參與的常見(jiàn)架構(gòu)實(shí)踐應(yīng)該使其成為一個(gè)舒適的居住場(chǎng)所。美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)負(fù)責(zé)監(jiān)督太空居住概念合同的太空建筑師 Larry Toups 說(shuō)，工程師有時(shí)也需要注意用戶(hù)體驗(yàn)：例如，廢物處理不應(yīng)該放在廚房旁邊。

　　在設(shè)計(jì) burj khalifa 時(shí)，SOM 從來(lái)不需要考慮一件事，那就是回收尿液。而月球上的第一個(gè)生命支持系統(tǒng)可能是“開(kāi)環(huán)”，就像阿波羅任務(wù)中的那樣：提供氧氣、食物和水，并就地處理廢物。根據(jù)一項(xiàng)計(jì)算，每人每年需要 5 到 15 公噸的消耗品，主要是空氣、食物和水。

　　不過(guò)，更可能的第一步是像國(guó)際空間站那樣的物理化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)。空間站收集宇航員的汗液和呼吸中的尿液、廢水和冷凝液，然后對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾，使其可以飲用。一組分子篩(使用二氧化硅和氧化鋁的晶體)從空氣中過(guò)濾二氧化碳，而電解則分解水來(lái)產(chǎn)生氧氣。

　　美國(guó)國(guó)家航空航天局的下一代生命支持(Next Generation Life Support)項(xiàng)目正在研究一些新的方法，但主要技術(shù)專(zhuān)家 Molly Anderson：“我們通常不想發(fā)明新的化學(xué)物質(zhì)。”大多數(shù)國(guó)家航空航天局希望提高現(xiàn)有系統(tǒng)的效率。該機(jī)構(gòu)還希望使硬件更輕、更可靠、更容易修復(fù)。至于新的玩具，研究小組正在測(cè)試一個(gè)壓縮機(jī)的原型，以給太空服的氧氣罐充電，利用熱分解系統(tǒng)將固體廢物分解成有用的元素，以及便攜式 DNA 測(cè)序儀，以監(jiān)測(cè)表面和水中的微生物。

　　Anderson 表示，月球至少在一個(gè)方面比國(guó)際空間站更容易維持生命：重力讓你可以洗澡和沖廁所。

　　月球上生命維持的下一個(gè)階段將是生物再生系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，生境中的生物提供食物，過(guò)濾空氣和水，分解廢物。ESA 的微型生態(tài)生命支持系統(tǒng)替代計(jì)劃(Melissa)進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，其中三只老鼠和一些藻類(lèi)一次生活在一起六個(gè)月。老鼠將氧氣轉(zhuǎn)化為二氧化碳，藻類(lèi)則相反。

　　我們甚至可以用生物學(xué)來(lái)建造。ESA 的Läkk 已經(jīng)用菌絲和植物物質(zhì)培育出磚塊，證明這種真菌既能承受模擬失重狀態(tài)，又能承受在月球上遇到的輻射。這種本地種植的材料可能會(huì)取代表土作為建筑材料。

　　很可能，我們需要一個(gè)混合系統(tǒng)，其中有些食物是從地球運(yùn)來(lái)的。即使科學(xué)家對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行基因改造以產(chǎn)生所有必需的營(yíng)養(yǎng)素，宇航員可能仍然需要各種各樣的食物來(lái)維持腸道健康。人們也不想每天都吃同樣的東西，把植物或藻類(lèi)變成食物需要大量的加工。Anderson“我們不想特意派遣宇航員到那里去而只是為了成為農(nóng)民。”

　　美國(guó)宇航局的 Sherwood 同意多樣化的需求，特別是如果月球打算吸引太空游客的話(huà)。他說(shuō)：“想擁有一家酒店嗎?那你至少需要學(xué)會(huì)馬提尼調(diào)酒和煎蛋卷。”但我們對(duì)如何在低重力下烹飪知之甚少。

　　為了讓人們能夠在月球上生活，SOM 還必須為機(jī)器人打造勞動(dòng)力計(jì)劃。Sherwood 說(shuō)：“勘測(cè)、表土移動(dòng)、建筑、資源開(kāi)采、簡(jiǎn)單維護(hù)，這些都不是人們最擅長(zhǎng)的事情。”SOM 預(yù)計(jì)，機(jī)器人將建立一個(gè)居住艙，也許是一個(gè)食品生產(chǎn)艙，并在任何人進(jìn)入之前建造表土墻。

　　但有一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題對(duì)人類(lèi)和機(jī)器都是致命的：灰塵。數(shù)十億年來(lái)，微流星體的撞擊使月球表面粉碎，在沒(méi)有空氣或水的地方產(chǎn)生尖銳的玻璃狀塵埃碎片，使月球邊緣光滑。月球淺層表土質(zhì)量的 10% 到 20% 由直徑小于 20 微米的顆粒組成，像細(xì)滑石粉。

　　這些粒子是由太陽(yáng)風(fēng)產(chǎn)生的靜電電荷，所以它們懸浮在空中，太小以至于看不見(jiàn)，但可以粘在任何東西上。在阿波羅任務(wù)中，經(jīng)過(guò)幾個(gè)小時(shí)的太空行走，灰塵結(jié)塊的靴子踏板、磨損的宇航服、擦傷的鏡片、毀壞的機(jī)器、堵塞的空氣過(guò)濾器、刺激宇航員的眼睛和鼻子。如果吸入，甚至可能導(dǎo)致癌癥。

　　SOM 已經(jīng)提議在棲息地入口進(jìn)行除塵，但即使它們使室內(nèi)變得整潔和寬敞，也無(wú)法阻止外部設(shè)備的退化。Sherwood 說(shuō)：“我們知道表土是什么，我們也知道為什么是這樣，但沒(méi)有人知道如何圍繞這些環(huán)境條件設(shè)計(jì)一個(gè)可持續(xù)的系統(tǒng)。”

　　登上月球是很困難的，呆在月球上會(huì)更困難。但是如果工程師和建筑師能夠克服這些困難，一個(gè)充滿(mǎn)可能性的世界就在等待著我們。
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