資源基地前景廣闊
月球基地設(shè)想圖。一個(gè)直徑16米的臌脹結(jié)構(gòu)構(gòu)成的居住艙，可以適應(yīng)12名航天員生活和工作。居住艙內(nèi)有基地操作中心，生命科學(xué)和月球科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，水耕果園，公共生活間，個(gè)人乘員區(qū)等。居住艙的左側(cè)是進(jìn)出用的氣閘艙和除塵用潔凈間。外面有一輛帶增壓艙的月球車(chē)，一艘航天器正在降落。
月球蘊(yùn)藏著可供人類(lèi)開(kāi)發(fā)和利用的各種資源和能源，因而在那里適合建造資源基地和能源基地，其中，目前世界上許多國(guó)家對(duì)建立開(kāi)采氦3這一價(jià)值連城燃料的能源基地最感興趣。我國(guó)已用嫦娥1號(hào)、2號(hào)繞月探測(cè)器上的微波探測(cè)儀探測(cè)了月壤中的氦3含量。
（1）氦3是個(gè)寶
目前，已知月球上有100多種礦物，其中有5種是地球上沒(méi)有的。月球資源有月球環(huán)境和月表資源兩種，前者包括太陽(yáng)輻射、真空和低重力，后者包括水冰、氧、氦3、氫、金屬、非金屬、月壤等，其中氦3最受重視。這種在地球上很難得到的物質(zhì)是清潔、安全和高效的核聚變發(fā)電燃料，可提供便宜、無(wú)毒和無(wú)放射性的能源，被科學(xué)家稱(chēng)作“完美能源”。
月球上之所以富含氦3是由于氦3大量存在于太陽(yáng)風(fēng)中，而月球沒(méi)有磁場(chǎng)和大氣，所以太陽(yáng)風(fēng)粒子能直達(dá)月面。
目前，地球上核電站所采用的核裂變生產(chǎn)方式危險(xiǎn)性很大，如果用核聚變反應(yīng)來(lái)生產(chǎn)能源，不僅其單位質(zhì)量產(chǎn)生的能量是裂變能的幾百倍，而且產(chǎn)生的放射性危險(xiǎn)只有裂變過(guò)程的萬(wàn)分之一，而氦3又是核聚變?nèi)剂系淖罴堰x擇，所以開(kāi)發(fā)利用月壤中的氦3將是解決人類(lèi)能源危機(jī)的極具潛力的途徑之一。
有專(zhuān)家估計(jì)到2050年，地球上的能源有可能枯竭，到那時(shí)可以開(kāi)發(fā)和利用月壤中的氦3作為人類(lèi)的替代能源。月球蘊(yùn)藏的氦3約為100萬(wàn)～500萬(wàn)噸。由于100噸的核燃料氦3就可以滿(mǎn)足地球上1整年的能源需求，所以即使月球蘊(yùn)藏的氦3只有100萬(wàn)噸，也足可滿(mǎn)足全球1萬(wàn)年的電力需要。
另外，氦3也可用于未來(lái)的載人火星飛船。從月球土壤中每提取1噸氦3，可得到6300噸氫、70噸氮和1600噸碳。其中的氫可以作火箭燃料，同時(shí)氫如與氧結(jié)合，也能制成非常有用的水。
（2）發(fā)現(xiàn)大量水
多次探月表明，月球兩極可能存有1100萬(wàn)～3.3億噸的水冰，它們不僅可以滿(mǎn)足人在月球上生存的需要，如果將水分解成氧和氫，還能成為載人登月飛船或火星飛船的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，并借助低引力，成為低成本前往其他星球的前哨基地。
在月球上建基地，可以開(kāi)采月球土壤中豐富的鋁、鐵、硅直接生產(chǎn)建材來(lái)建造房屋,也能采用3D打印技術(shù)就地取材打印月球村。可發(fā)射3D打印機(jī)器人登陸月球，先由機(jī)器人清掃和搜集月球表面的塵土，作為基地建材，再通過(guò)3D打印技術(shù)打造圓頂小屋供人居住。這種小房屋最多可供4個(gè)人居住。利用月球塵土建造小屋好處多多，能節(jié)省成本，不必耗巨資把已蓋好的小屋運(yùn)上月球；此外，月球塵土能抵抗月球的極端溫差和太陽(yáng)照射，讓人類(lèi)朝久居月球的夢(mèng)想更前進(jìn)一步。
為了解決運(yùn)輸問(wèn)題，降低成本，也可直接在月球上建造核電站，電站發(fā)出的巨大電力除供月球基地使用外，還將通過(guò)激光或微波輸送到位于近地軌道上的能量中繼衛(wèi)星，再由中繼衛(wèi)星仍以激光或微波形式傳送給地球。另外，在月球上建核電站也用不著擔(dān)心核泄漏等。在月球上還可建太陽(yáng)能基地，因?yàn)樵虑虮砻鎺缀鯖](méi)有大氣，太陽(yáng)輻射可以長(zhǎng)驅(qū)直入，而且很容易滿(mǎn)足用目前的光電技術(shù)進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電需要占用大片光照充足的土地的要求，因?yàn)樵虑蛏嫌谐渥愕耐恋亍?/p>
月球基地建造的路線圖
月球基地的建設(shè)和開(kāi)發(fā)的時(shí)間、規(guī)模、能力，與空間運(yùn)輸系統(tǒng)、基地設(shè)備、電源、生活設(shè)施和交通工具等有關(guān)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，一些國(guó)家的專(zhuān)家已提出了多種月球基地建造方案，它們各有特點(diǎn)，均有一定參考和借鑒價(jià)值。例如，有些專(zhuān)家認(rèn)為建造月球基地可分以下三個(gè)階段實(shí)施。
（1）三個(gè)階段
第一階段是準(zhǔn)備階段。其主要工作是為月球基地選址和完成月球基地建設(shè)的前期準(zhǔn)備工作。此階段由月球探測(cè)器和機(jī)器人來(lái)完成，發(fā)射月球探測(cè)器和將機(jī)器人送到月面上，負(fù)責(zé)月面的地質(zhì)勘探和測(cè)繪，重點(diǎn)是在月球兩極尋找水冰。
第二階段是初級(jí)基地建設(shè)階段。將航天員和基地的建造設(shè)備送上月球，然后將設(shè)備組裝起來(lái)。登月航天員大約為6人，將在月球上停留2周，主要完成基地的初期建設(shè)任務(wù)。如果是建固定基地，航天員要將居住艙組裝起來(lái)，并要保證生命保障系統(tǒng)能正常運(yùn)行，這樣可以給航天員一個(gè)比較舒適的生活環(huán)境。在居住艙組裝完成后，緊接著要將月面制氧車(chē)間組裝起來(lái)，以便給生命保障系統(tǒng)提供氧氣，同時(shí)還可為飛船返回地球提供燃料。
圖2 用自動(dòng)貨運(yùn)航天器運(yùn)送的部件組裝成的月球居住地。中間為生活艙，后面為后勤艙，前面是氣閘艙，一位航天員剛從氣閘艙出來(lái)。兩輛增壓月球車(chē)與生活艙對(duì)接，提供航天員生活和工作場(chǎng)所，旁邊是一輛由太陽(yáng)能提供電力的月球車(chē)。
第三階段是發(fā)展階段。它是把初級(jí)月球基地發(fā)展為中高級(jí)月球基地的階段。此階段基地成員將從6人擴(kuò)大到12人，他們將在基地停留3個(gè)月到半年。在此階段，基地的居住艙也將從2～3個(gè)發(fā)展為5～7個(gè)。
建造月球基地的一種新途徑是與民營(yíng)企業(yè)合作，這樣所需成本較低，建造月球基地周期較短，并有可能為未來(lái)登陸火星奠定經(jīng)濟(jì)可行的探測(cè)模式。在月球兩極建立商業(yè)基地后，可將水冰轉(zhuǎn)化成推進(jìn)劑向美國(guó)航空航天局或其他用戶(hù)出售。亦可轉(zhuǎn)化成氧氣，減低人類(lèi)在月球定居時(shí)的成本。
研究表明，利用商業(yè)合作關(guān)系，人類(lèi)能以逐步漸進(jìn)的方式重返月球，這在技術(shù)上是可行的。為在月球上建立一個(gè)永久的人類(lèi)基地，可采用另一種“三部曲”方法。首先，短期“分批次”派人在月球赤道地區(qū)著陸，而機(jī)器人航天員將在月球兩極搜尋最有可能存在水冰的地點(diǎn)，這些任務(wù)可主要依靠現(xiàn)有或正在研發(fā)的運(yùn)載火箭和航天器來(lái)執(zhí)行；其次，中期“分批次”派人前往月球兩極，測(cè)試提取冰并將冰轉(zhuǎn)化為液氫和液氧推進(jìn)劑的技術(shù)；最終，創(chuàng)建容納4人的永久基地，監(jiān)管每年生產(chǎn)200噸的推進(jìn)劑。
（2）循序漸進(jìn)
首先，要在發(fā)射月球自動(dòng)探測(cè)器的基礎(chǔ)上發(fā)射月球多用途基地艙，建立月球基地前哨站，探測(cè)月面和次月面；用月面飛行器探測(cè)前哨站的周?chē)h(huán)境；用各種小型觀測(cè)臺(tái)觀測(cè)地球和其他星球；用小型試驗(yàn)裝置從月壤中提取水、氧等；試驗(yàn)月球資源開(kāi)發(fā)技術(shù)；航天員半年一輪換。
接著是在月球上建由多用途基地艙、專(zhuān)用設(shè)備艙科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、大型觀測(cè)臺(tái)和月球工廠等組成的半永久性月球基地。它們之間用通道相互連接，能觀測(cè)地球、太陽(yáng)系或更遠(yuǎn)的星系，生產(chǎn)溶液食物、金屬原材料和推進(jìn)劑，組裝、維修和發(fā)射星際飛船；航天員幾年一輪換。
最后，在月球上建造能開(kāi)采礦產(chǎn)資源，有設(shè)備制造廠、農(nóng)業(yè)工廠、月球港灣、醫(yī)院、學(xué)校、賓館等的永久性月球基地，數(shù)百人可在那里長(zhǎng)期生活和工作。
實(shí)施步驟以及組成
也有一些專(zhuān)家提出采用以下六步走的方案來(lái)建造月球基地。
（1）六步方案
第一步是建設(shè)機(jī)器人基地，以機(jī)器人月球基地為“打前站”。其優(yōu)點(diǎn)是比建真人基地經(jīng)濟(jì)便宜，設(shè)備簡(jiǎn)單，風(fēng)險(xiǎn)較小，無(wú)生命危險(xiǎn)。
第二步是建設(shè)可容納6人、逗留6個(gè)月的初級(jí)基地。它既可以是固定式的，也可以是移動(dòng)式的。其中移動(dòng)式月球基地是將基地的居住艙裝上4～6個(gè)輪子或機(jī)械腿，最大優(yōu)點(diǎn)是可以讓航天員在月球上的不同地方進(jìn)行調(diào)研和考察，并且可以根據(jù)外界情況隨時(shí)更換位置，比固定式基地安全。
第三步是建設(shè)可容納24人的中級(jí)月球基地。它由3個(gè)埋在月球的地下且對(duì)接在一起的空間站艙組成，上面蓋有1.5～2.0米厚的土壤，目的是防止宇宙輻射傷害人體，同時(shí)還有利于保持艙內(nèi)的溫度。其研制時(shí)間為1年，壽命10年。
第四步是建設(shè)能容納120人的高級(jí)月球基地。它可建在月球的熔洞內(nèi)，也能用由月球巖石加工、混合而成的鋼筋混凝土建在地下。從地球到月球軌道的運(yùn)輸使用可多次使用的重型航天運(yùn)輸系統(tǒng)，從月球軌道到月面的運(yùn)輸用月球客車(chē)。其研制時(shí)間為5年，壽命30年。
第五步是建設(shè)能容納250人的月球工廠。除開(kāi)采月球礦物以外，月球工廠還要負(fù)責(zé)生產(chǎn)一些重型設(shè)備。這些設(shè)備除供應(yīng)月球移民區(qū)的建設(shè)外，還供應(yīng)太陽(yáng)系其他行星和天體的開(kāi)發(fā)之用。其使用壽命30年。
（2）系統(tǒng)組成
與其他載人航天器一樣,月球基地必須包括2個(gè)最基本、也是最重要的設(shè)施，那就是可供航天員生活和工作的加壓居住艙和生命保障系統(tǒng)。因?yàn)槿嗽诘窃碌娜^(guò)程中會(huì)面臨失壓、缺氧、低溫和輻射損傷4大危險(xiǎn)。所以，月球基地也像載人飛船、航天飛機(jī)和空間站等一樣，必須有加壓居住艙和生命保障系統(tǒng)。
在月球基地的不同發(fā)展階段可以建不同的居住艙。初級(jí)基地的居住艙可用移動(dòng)式居住艙，也能直接使用登月飛船上的月球著陸器，后者設(shè)備簡(jiǎn)陋，可供航天員在里面臨時(shí)生活和工作30天；前者可用于初級(jí)基地和中級(jí)月球基地。高級(jí)基地一般采用由金屬結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)制成的固定式居住艙，其中前者為類(lèi)似于空間站的圓筒形艙段，但為了防止宇宙輻射對(duì)基地乘員的傷害，這兩種固定式居住艙都必須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統(tǒng)也隨基地不同而不同。初級(jí)基地的生命保障系統(tǒng)是非再生式的，即其上的氧氣、水和食物要依靠來(lái)自地球的補(bǔ)充供應(yīng)。此后建造的基地的生命保障系統(tǒng)是再生式的，即其上的氧氣、水或食物都要靠密閉循環(huán)處理和綠色植物的光合作用來(lái)就地解決。
除了加壓居住艙和生命保障系統(tǒng)外，供電系統(tǒng)、出艙活動(dòng)系統(tǒng)和月球漫游車(chē)也是月球基地上必不可少的重要設(shè)施。
建材基地概念研究
各種月球基地的主要組成和建造方法是基本相同的，主要差異來(lái)自于具體需求，這與在地球建立基地同理。所以在設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)具體需求來(lái)進(jìn)行即可。例如，人類(lèi)如果要建造太空城，就需要先在月球上打造建材基地。因?yàn)樵虑蛑亓χ挥械厍虻?/6，從月球上將建材運(yùn)輸?shù)教粘墙ㄔO(shè)點(diǎn)，可節(jié)省大量的運(yùn)輸費(fèi)用。建材基地建在月球南極比較合適，因?yàn)槟抢镉谐渥汴?yáng)光且儲(chǔ)存著冰。
建造建材基地也應(yīng)按照先易后難的方式陸續(xù)建造三種，通過(guò)不斷迭代來(lái)逐步完善，即先建造臨時(shí)性月球基地，然后建造永久性小型月球基地，最終建造永久性大型月球基地。
（1）建材基地的主要組成
一是居住系統(tǒng)。它包括月球工棚、生命保障系統(tǒng)和出艙活動(dòng)系統(tǒng)。居住系統(tǒng)應(yīng)能提供40名月球工作人員的居住和生活。月球工棚采用固定式硬結(jié)構(gòu)，可以是金屬結(jié)構(gòu)，也可以是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。生命保障系統(tǒng)是混合式的，即一種非再生式與再生式相結(jié)合的系統(tǒng)，因?yàn)榛氐氖澄锎蟛糠诌€是靠地球供應(yīng)，另外基地利用綠色植物的光合作用，生產(chǎn)新鮮的蔬菜和水果，同時(shí)還可生產(chǎn)氧氣和飲用水，并清除二氧化碳和回收處理廢物。
圖4 專(zhuān)家設(shè)想的采用臌脹結(jié)構(gòu)構(gòu)成的月球基地居住場(chǎng)所、太陽(yáng)電池陣（平鋪在月面）、輻射防護(hù)屏、連接隧道、6個(gè)輪子的月球車(chē)和其他設(shè)施。
三是電力供應(yīng)。為了保證月球建材基地的正常生產(chǎn)，必須提供充足的電力，主要有兩條途徑：一是太陽(yáng)能電站；二是核電站。月球基地上的電力供應(yīng)是太陽(yáng)能電站和核電站并重。因?yàn)樵谠虑蛏?，白天可由太?yáng)能電站供電，夜晚只能由核電站供電。
為了減少運(yùn)輸費(fèi)用，可把生產(chǎn)太陽(yáng)電池的設(shè)備送上月球，然后利用月球上已有的大量鋁和硅就地取材生產(chǎn)太陽(yáng)電池，從而建立太陽(yáng)能電站。
太陽(yáng)電池生產(chǎn)設(shè)備的用電由小型太空核電站提供，這種使用氦3作為燃料的小型太空核電站重約3噸，能生產(chǎn)100千瓦的電能，可以不間斷工作幾十年。由于氦3也是就地取材，因此發(fā)電成本將大大下降。
（2）太空城建材生產(chǎn)流程
太空城建材的生產(chǎn)流程是：月球開(kāi)礦和選礦；月球礦石發(fā)射；月球礦石接收；太空冶煉、加工和制造；運(yùn)送到太空城建筑工地。
圖5 月球基地的建設(shè)者。
結(jié)語(yǔ)
由于建造月球基地是一項(xiàng)宏偉而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要耗費(fèi)巨大的人力、物力和財(cái)力，所以盡管醞釀了多年，但是至今還沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的最理想方案，更沒(méi)有任何一個(gè)國(guó)家或組織進(jìn)行立項(xiàng)實(shí)施。所以，雖然月球基地前景廣闊，但任重而道遠(yuǎn)，還需要進(jìn)一步深入論證。筆者認(rèn)為，比較理想的方法是舉全球之力，多國(guó)聯(lián)合建造國(guó)際月球基地，這樣既可大大緩解各國(guó)單獨(dú)建造月球基地所帶來(lái)的巨額資金壓力，又能充分發(fā)揮參與國(guó)各自擁有的航天技術(shù)特長(zhǎng)，還能讓參與國(guó)共享建立月球基地所帶來(lái)的巨大成果。
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