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如何在月球上建造家園?

普渡大學設計的一個小型月球棲息地模型正逐漸成型,為人類在惡劣、極端的地外或地球環境下生活做好準備。


美國內華達州,畢格羅宇航(Bigelow Aerospace)展示一個月球棲息地概念設計。 攝:Steve Marcus/Reuters/達志影像
美國內華達州,畢格羅宇航(Bigelow Aerospace)展示一個月球棲息地概念設計。 攝:Steve Marcus/Reuters/達志影像

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這裡是月球:微型隕石如子彈般傾瀉而下,動輒數小時的月震不停地撼動著房屋。白天,氣溫會躥升至華氏250度(121攝氏度)以上,到了夜晚,又會驟降至零下200度(-129攝氏度)以下。僅僅是眺望窗外就有暴露在輻射中的危險,而管道泄漏則意味著大難臨頭。

不過,倘若強韌地外棲息地研究所(Resilient Extra-Terrestrial Habitats Institute,簡稱RETHi)達成目標,太空居民就可以在這樣惡劣的環境中保證自身安全。這個為期五年的研究項目由美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,簡稱 NASA)出資1500萬美元贊助,試驗採用了先進的計算機模擬和物理測試,目標是探索如何在月球上建造一個能保障宇航員生活的營地。這項工作有助於了解人類如何在月球上長期生存。

在月球上生活已不再是一個學術課題。在全球組織和商業夥伴的支持下,NASA 正計劃在2024年將人類重新送上月球。而在接下來的10年裡,NASA 的目標是實現人類「在月球表面的長期存在」,併為此建立通信、發電和廢物處理等基礎設施。這個項目的代號是「阿爾忒彌斯基地」(Artemis Base Camp),月球營地將可以容納四名宇航員組成的探月團隊,而目標是每次在月球表面停留一到兩個月。

麻省理工學院的太空探索計劃創始人兼項目主任阿里爾·埃克布勞(Ariel Ekblaw)表示,這一進度比許多人想像的快得多。她預計在2030年前後,人類在月球上的第一座建築將建造完成。

中國已計劃在2030年之前建造可供人居住的月球營地。2016年,歐洲航天局(European Space Agency)總幹事揚·沃爾納(Jan Woerner)啟動了「月球村」項目,這是一個跨國合作探月計劃。總部設在舊金山的非營利組織開放月球基金會(Open Lunar Foundation)的聯合創始人兼政策和治理主任傑西·凱特·施格勒(Jessy Kate Schingler)表示,目前已經有大約十幾家私營發射公司正在為機器人登月做準備。開放月球基金會倡導以和平與合作的方式解決人類在月球上的定居問題。施格勒稱,月球上可能有多達10億噸的冰狀水,可以供給數十萬人在月球上生活和工作。

不過,月球營地還需要做到在無人值守時也能經受各種故障的考驗、並能自行修復各種問題。「月球營地應該是智能化的,」NASA 下屬約翰遜航天中心的自主系統技術學科負責人朱莉婭·貝傑(Julia Badger)說,「它將能夠自行處理許多問題。」

RETHi的加入,就是為了解決這些問題。作為項目研究合作者的貝傑博士預計,這個項目將為NASA的探月任務等提供資訊。不僅如此,它還可以幫助建築師和工程師更好應對未來地球居住環境日益密集、資源越發有限以及氣候不斷惡化的挑戰。

該項目由普渡大學牽頭,合作夥伴包括哈佛大學、康涅狄格大學及得克薩斯大學聖安東尼奧分校這些高校,企業合作夥伴包括柯林斯航空航天公司(Collins Aerospace)和 ILC Dover,後者是一家工程薄膜和纖維製造商,其產品包括充氣式太空營地。

RETHi的測試項目將會對一系列災難場景進行研究,無論是隕石雨洞穿營地屋頂,還是長達數小時的月震給負責環境控制和生命保障系統的管道造成的衝擊。「你盡可以發揮自己的想像力,設想未來會發生什麼?最有可能發生什麼?再嘗試找出應對這些場景的最佳方法。」普渡大學機械和土木工程教授、RETHi執行董事雪莉·戴克(Shirley Dyke)說。

在月球上生活需要克服重重困難。埃克布勞博士表示,月球土壤,也就是所謂的月壤,銳利而鬆軟。用戴克教授的話說,「像是玻璃製成的糖霜。」月壤能進入機器,磨損設備,附著在太陽能電池板上。月球上沒有可供人呼吸的空氣,引力也只有地球的六分之一,長時間在外停留會有被輻射的風險。月球上一個夜晚相當於地球上的大約14天,在此期間,太陽能發電會中斷。

出於這個原因,有關月球營地的許多計劃都圍繞著「永恆之光群峰」進行的,這個充滿魔幻的詞語是指位於月球南極沙克爾頓環形山上幾乎可以獲得永恆日照的那片區域。科學家們還在月球的兩極發現了冰狀水,意味著它們可以被開採出來,轉化為氧氣和氫氣,既可以供人們呼吸,也可以充當火箭燃料。

RETHi的研究重點主要集中在三大領域:第一,抗擊力,也就是建造一處能抵禦月球表面惡劣情況的棲息場所;第二,感知力,即通過傳感器陣列檢測和診斷問題;第三,機器人技術,即研發能夠自主修復問題的機器。在戴克博士看來,在月球上遭遇突發事件不可避免。

過去一年中,上述四所高校的數十名師生一直在設計計算機模型,為各種試驗物色適合的材料。

上個月,普渡大學師生開始在校園實驗室對一個高1.2米、直徑2.4米寬的穹頂模型和其他設備進行模擬現實場景的測試。他們使用特製的錘子和電動振動器敲擊穹頂,模擬隕石撞擊或其他衝擊造成的破壞效果。另一些試驗用到了吸熱毯,用來吸收熱量,模擬溫度變化。

該團隊還在研發能處理不同任務以及包括各種織物在內的不同材料的多功能機器人,並對月球營地所用的組件進行重新設計,以方便機器人處理。「如果某個營地出現問題,就需要派機器人去修理——尤其在無人值守期間,這時候宇航員是不會到場幫忙的。」哈佛大學機器人團隊負責人賈斯汀·沃爾費爾(Justin Werfel)在一封電子郵件中寫道。

按照普渡概念給出的效果圖(算不上藍圖,用概念圖來形容可能更為貼切)展示了一個穹頂形建築群,其中大部分埋在月壤之中,以隔離輻射。穹頂為宇航員提供了一個遙望地球的處所。為適應月球的低重力環境,樓梯台階的間距約為一米,室內擺放著綠植和書籍。「對任何人來說,不能自由外出會帶來巨大壓力。」效果圖的製作者、普渡大學航空航天工程碩士 Takaharu Igarashi 說道。

其他一些研究則希望另闢蹊徑,比如建造甜甜圈形狀的環形或是錐體形營地。一個理想的建造方法是用月壤進行3D打印,這可以大大降低從地球運送原材料的費用。ICON 是一家總部設在奧斯汀的初創公司,素以3D打印房屋聞名。該公司正使用模擬月球土壤進行實驗室測試,以摸索出理想的打印條件。

建築設計事務所 Skidmore, Owings & Merrill 已經與麻省理工學院及歐洲航天局的科學家和工程師展開合作,希望拿出一個月球營地的概念方案。根據他們的設想,營地由一系列多層建築組成,由堅固的框架支撐,外部包裹一個可充氣外殼,再用3D打印的月壤組件進行加固。這樣一個營地可以容納四個人生活,這種布局最大限度地利用內部空間,較高的層高設計利用了月球低引力的優勢,不同樓層可以將空間分隔成不同用途。

事務所的設計合夥人科林·庫普(Colin Koop)與資深設計師丹尼爾·伊諾森特(Daniel Inocente)共同領導著這個項目,庫普表示,如果宇航員一次旅行需要停留數月,「設計就必須圍繞他們的舒適和便利進行。」

在有關這一概念的研究報告中,歐洲航天局提出了幾種可能的解決方案,包括將宇航員生活區安置在較低樓層,以保護他們不受太陽風暴和輻射的影響。報告稱,類似這樣的建築「可能在未來幾年內出現在月球表面」。

歐洲航天局下屬人類和機器人探索理事會的戰略與協調小組負責人迪迪埃·施密特(Didier Schmitt)表示,另一個辦法是打造一個移動的月球基地,探月人員就生活在一個燃料電池供電的加壓移動宿營車中,可以在月錶行駛數百公里。「在月球上設立基地,就如同在鄉下有一所房子。沒有車輛,沒有行動能力,你就會寸步難行。」

除了月球表面惡劣的自然環境,在月球設立基地,還面臨著無數現實與政策挑戰,包括依然高昂的太空發射成本,以及各國乃至個人參與者對月球領地及資源的分享問題。「擺在我們面前的問題包括資源管理、通信標準、基礎設施、利益分享、甚至稅收等等——從某種意義上說,這也是人類社會最基本的問題。」施格勒說。

針對月球棲息地的許多研究也能在我們的地球家園中得到應用。RETHi項目參與者、普渡大學土木工程博士赫爾塔·蒙托亞(Herta Montoya)表示,對於想要應對未來地球極端天氣事件的工程師來說,月球建築的設計有很強的借鑑意義,在這類事件中,房屋會面臨多種環境侵害。他指的是近年來乾旱引發的加州山火以及地震等極端事件。

「在這個項目中學到的東西,對於我們如何增強地球家園的抗擊力將產生深遠影響。」 雪莉·戴克教授說。

英文原文:How to Build a Home on the Moon

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